KR20130127578A - 이차전지 제조용 전극 건조 오븐 자동 급기 유량 제어 장치 - Google Patents

이차전지 제조용 전극 건조 오븐 자동 급기 유량 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용매를 포함하는 전극 슬러리를 집전체에 코팅한 후 용매를 건조하는 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치로서, 외부 공기를 공급하는 급기 덕트 및 건조 후 공기와 용매가 혼합된 가스를 배출하는 배기 덕트를 구비한 하나 이상의 전극 건조 오븐; 공기의 공급량을 조절할 수 있도록 상기 급기 덕트 상에 장착되어 있는 급기 댐퍼, 및 가스의 배출량을 조절할 수 있도록 상기 배기 덕트 상에 장착되어 있는 배기 댐퍼; 상기 배기 덕트에서 배기 가스 중의 용매 농도를 측정하는 센서; 및 상기 센서로부터 송부된 배기 가스 중의 용매 농도에 대한 정보를 바탕으로, 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼 중의 하나 이상을 조절하여 공기 공급량 및/또는 가스 배출량을 제어하는 제어부; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치를 제공한다.

Description

이차전지 제조용 전극 건조 오븐 자동 급기 유량 제어 장치 {Flow Controller of Drying Oven with Automatic Air Charge for Manufacturing Secondary Battery}
본 발명은 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치로서, 더욱 상세하게는, 용매를 포함하는 전극 슬러리를 집전체에 코팅한 후 용매를 건조하는 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치로서, 외부 공기를 공급하는 급기 덕트 및 건조 후 공기와 용매가 혼합된 가스를 배출하는 배기 덕트를 구비한 하나 이상의 전극 건조 오븐; 공기의 공급량을 조절할 수 있도록 상기 급기 덕트 상에 장착되어 있는 급기 댐퍼, 및 가스의 배출량을 조절할 수 있도록 상기 배기 덕트 상에 장착되어 있는 배기 댐퍼; 상기 배기 덕트에서 배기 가스 중의 용매 농도를 측정하는 센서; 및 상기 센서로부터 송부된 배기 가스 중의 용매 농도에 대한 정보를 바탕으로, 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼 중의 하나 이상을 조절하여 공기 공급량 및/또는 가스 배출량을 제어하는 제어부; 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치에 관한 것이다.
최근 전자산업 발전의 중요한 경향은 디바이스의 와이어리스, 모바일 추세와 아날로그에서 디지털로의 전환으로 요약될 수 있다. 무선 전화기(일명, 휴대폰)와 노트북 컴퓨터의 급속한 보급, 아날로그 카메라에서 디지털 카메라로의 전환 등을 그러한 대표적인 예로 들 수 있다.
이러한 경향과 더불어 디바이스의 작동 전원으로서 이차전지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도, 양극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물, 리튬 복합 산화물 등을 사용하는 중량 대비 높은 출력과 용량의 리튬 이차전지가 크게 각광받고 있다. 리튬 이차전지는 양극/분리막/음극의 전극조립체가 전해질과 함께 밀폐된 용기에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
한편, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 이들간에 개재되는 전해질 물질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지(Litium Ion Battery: LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymar Litium Ion Battery: PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차전지의 전극판은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 코팅한 후 건조시킴으로써 형성된다.
종래의 건조 시스템은 열풍을 이용한 대류 건조 방식을 채용하고 있다.
도 1에는 종래의 건조 시스템의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지용 전극 건조장치(10)는 다수의 건조오븐들(61, 62, 63)로부터 연장되어 있는 급기 덕트(71) 및 배기 덕트(72), 급기 덕트(71) 및 배기 덕트(72)상에 급기 댐퍼들(42, 43, 44), 배기 댐퍼들(51, 52, 53)과 가스 농도 센서들(81, 82, 83)을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
구체적으로, 종래의 건조 시스템은, 전극이 다수의 건조오븐(61, 62, 63)이 연결된 건조구간을 지나면서 슬러리의 용매가 건조된다. 각 건조오븐(61, 62, 63)의 길이는 3 ~ 6m 로 다수의 건조오븐(61, 62, 63)이 연결되어 전극은 약 30 ~ 60m의 건조구간을 지나게 된다. 전극 슬러리의 건조가 진행됨에 따라 건조 정도에 따른 최선의 건조 환경을 조성하기 위해서 온도와 노즐 풍속을 개별적으로 컨트롤이 가능한 다수의 건조 오븐(61, 62, 63)을 사용하고 있다.
그러나, 급기 유량(21, 22, 23)이 상승 할수록 배기 중 가스 농도가 감소되어 안전성이 증가하지만, 상온의 외부 공기를 고온의 오븐 온도까지 가열해야 하므로 에너지 비용이 증가하고 배기 중 용매가스 회수 설비의 용량도 커져야 하므로 설비 투자비용 증가하는 문제점이 발생한다.
또한, 전극 코팅 슬러리의 용매는 건조 초반기에 증발량이 크고 건조 후반기에는 잔존 용매의 양이 작으므로 증발량이 작다.
이로 인해, 각각의 건조 오븐(61, 62, 63)에서는 용매 증발량의 차이가 발생하므로 급기 유량(21, 22, 23)은 각각의 건조 오븐(61, 62, 63)의 증발량에 맞춰 조정되어야 한다.
따라서, 메인 급기 덕트(71)에서 분기되어 각각의 건조 오븐(61, 62, 63)으로 연결되는 급기 덕트에 유량 조절용 급기 댐퍼들(42, 43, 44)을 설치하고, 각각의 건조 오븐으로부터 메인 배기 덕트(72)로 연결되는 배기 덕트에 배기 댐퍼들(51, 52, 53)을 설치하여, 각각의 급기 댐퍼 또는 배기 댐퍼의 개도를 조정하는 방식으로 각 건조 오븐(61, 62, 63)의 급기 유량(21, 22, 23)을 조정하는 구조를 사용한다.
각 건조 오븐(61, 62, 63)의 배기 중 가스농도는 전극 슬러리의 조성, 생산속도 등에 따라 수시로 변동하는데 비해 급기 댐퍼들(42, 43, 44)의 개도 조정은 상당히 번거로운 작업이므로 수시로 조정할 수 없다.
따라서, 일반적으로 가스농도가 기준치보다 낮은 상태로 유지되도록 급기 유량(21, 22, 23)을 조절하고, 가스농도의 최고치가 대략 기준치를 만족하는 수준으로 메인 급기 댐퍼(41)을 조정하여 급기 유량을 결정한다.
결국, 이러한 기존의 건조 시스템은, 모든 건조 오븐에서 배기 가스 농도의 기준치를 만족해야 하기 때문에, 급기 유량이 필요 이상으로 커짐에 따라 급기 승온에 따른 에너지 손실이 발생하고 배기가스 처리 설비 용량을 크게 제조해야 하는 단점이 있다.
또한 배기 가스농도가 가장 높은 오븐에 의해 생산속도가 제한되므로 전체적으로 생산속도가 낮아지는 문제도 발생한다.
따라서, 종래의 이차전지용 전극 건조장치는 급기 승온에 따른 에너지 손실이 발생하고, 배기가스 처리 설비 용량을 크게 제조해야 하며, 배기 가스농도가 가장 높은 오븐에 의해 생산속도가 제한되므로 전체적으로 생산속도가 낮아지는 문제점이 있기 때문에, 전체 건조오븐의 급기 유량을 최적 및 최소로 유지하여 건조 오븐의 에너지 소비를 최소화하고 전극 생산량의 최대화를 가능하게 하는 이차전지용 전극 건조오븐의 유량 제어 장치에 관한 기술이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 각 건조 오븐의 배기 덕트에 설치된 가스농도 센서에서 측정된 데이터를 피드백하여 각 건조 오븐의 급기 덕트 및 배기덕트에 설치된 댐퍼의 개도를 자동으로 조정하여 모든 오븐에서 배기 가스농도가 기준치에 맞게 급기 유량을 공급하도록 시스템을 구성함으로써, 전체 건조 오븐의 급기 유량을 최적 및 최소로 유지하여 건조 오븐의 에너지 소비를 최소화하고 전극 생산량의 최대화를 가능하게 하는 이차전지용 전극 건조오븐의 유량 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 이차전지용 전극 건조장치에 의해 제조된 이차전지용 전극을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 제조용 전극 건조오븐의 급기 유량 제어 장치는, 용매를 포함하는 전극 슬러리를 집전체에 코팅한 후 용매를 건조하는 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치로서,
외부 공기를 공급하는 급기 덕트 및 건조 후 공기와 용매가 혼합된 가스를 배출하는 배기 덕트를 구비한 하나 이상의 전극 건조 오븐;
공기의 공급량을 조절할 수 있도록 상기 급기 덕트 상에 장착되어 있는 급기 댐퍼, 및 가스의 배출량을 조절할 수 있도록 상기 배기 덕트 상에 장착되어 있는 배기 댐퍼;
상기 배기 덕트에서 배기 가스 중의 용매 농도를 측정하는 센서; 및
상기 센서로부터 송부된 배기 가스 중의 용매 농도에 대한 정보를 바탕으로, 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼 중의 하나 이상을 조절하여 공기 공급량 및/또는 가스 배출량을 제어하는 제어부;
를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치는, 배기 가스중의 용매 농도를 측정하고, 상기 측정된 용매 농도 정보를 바탕으로 급기 덕트 및/또는 배기 덕트를 자동으로 조절하도록 함으로써, 배기 가스 농도가 기준치에 적합하도록 급기 유량을 공급하는 구조로 이루어져 있다.
상기 용매는 예를 들어, 유기 용제가 사용될 수 있으며, 상기 유기 용제 중에서도 가연성의 유기 용제인 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 용매로서 NMP가 사용되는 경우, 상기 급기 덕트를 통해 각각의 건조 오븐에 외부 공기를 유입시켜, 상기 건조 오븐의 배기 중 NMP가스의 농도를 폭발 하한계(lower explosive limit: LEL)의 대략 25% 이하로 유지되도록 하여 폭발의 위험을 방지하는 구조로 이루어질 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전극 오븐은 전극 슬러리가 집전체에 코팅된 전극의 진행 방향을 따라 둘 이상의 전극 건조 오븐들이 연속적으로 배열된 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 전극 건조 오븐의 길이는 3 m 내지 6 m이고, 총 30 m 내지 60 m 길이의 건조 구간을 구성하도록 전극 건조 오븐들이 연속적으로 배열되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 배기 댐퍼 및 급기 댐퍼는 상기 배기 덕트 및 급기 덕트를 개폐하거나, 건조 오븐으로의 급기 또는 배기되는 유량을 조절할 수 있는 구조라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 덕트형 밸브일 수 있다. 상기 덕트형 밸브는 덕트의 개도를 조절할 수 있는 구조로써 다양한 형태의 밸브가 사용될 수 있다.
상기 급기 유량 제어 장치는 전극 건조 오븐에 유입되는 공기 공급량을 제어하는 장치로서, 둘 이상의 전극 건조 오븐들에서 배기되는 배기 가스중의 용매 농도가 동일하도록 공기 공급량을 제어하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 제어부는 전극 건조 오븐으로부터 배기되는 배기 가스의 용매 농도가 LEL(lower explosive limit)의 25% 이하로 유지되도록 공기 공급량 및/또는 가스 배출량을 제어하는 구조일 수 있다. 즉, 높은 용매 농도의 배기 가스에 의한 폭발의 위험을 방지하고 안전성을 담보하기 위하여 상기 배기 가스의 용매 농도가 LEL의 25% 이하가 되도록 유지시키는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 제어부는 폭발의 위험을 방지하고 급기 유량을 최적으로 관리하기 위하여 상기 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼를 조절하여 공기 공급량을 제어하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼에는 상기 제어부로부터의 제어 신호에 의해 댐퍼의 개도를 조정하는 댐퍼 조정부를 추가로 포함할 수 있으며, 따라서 상기 댐퍼 조정부에 의해 댐퍼의 개도를 조정함으로써 상기 전극 건조 오븐의 급기 또는 배기의 유량을 조절할 수 있다.
상기 댐퍼 조정부는 예를 들어 서보모터(servo moter)일 수 있으며, 상기 서보모터의 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 관한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
본 발명은 또한, 상기 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치를 사용하여 제조되는 이차전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 이차전지용 전극을 포함하는 리튬 이차전지를 제공하는 바, 상기 리튬 이차전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지일 수 있다.
상기 리튬 이차전지는, 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 전지케이스에 수납한 후 전해액을 함침시켜 밀봉한 구조의 이차전지로서, 상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤(권취형) 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 바이셀(Bi-cell) 또는 풀셀(Full cell)들을 분리필름으로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 등을 들 수 있다.
본 발명은 또한, 단위셀로서 상기 리튬 이차전지를 둘 이상 포함하는 전지팩을 제공한다.
상기 전지팩은 예를 들어, 휴대폰, 노트북 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드, 넷북, LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력 저장 장치 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치는 모든 건조 오븐에서 배기 가스농도가 기준치에 맞게 급기 유량을 공급하도록 함으로써, 전체 건조 오븐의 급기 유량을 최적 및 최소로 유지하여 건조 오븐의 에너지 소비를 감소시키고 전극 생산량을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 이차전지용 전극 건조장치의 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극 건조 오븐의 급기 유량제어 장치의 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 내용을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치에 관한 모식도가 도시되어 있다.
도 2에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 전극 건조 오븐이 포함된 이차전지용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치를 모식적으로 도시하였으나, 둘 이상의 전극 건조 오븐들이 배열되어 전극의 건조가 전극 건조 오븐들을 통과하면서 연속적으로 수행되는 구조로 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 2를 참조하면, 이차전지 제조용 전극 건조장치(100)는 전극 슬러리가 집전체에 코팅된 전극의 진행 방향을 따라 외부 공기를 공급하는 급기 덕트(141) 및 건조 후 공기와 용매가 혼합된 가스를 배출하는 배기 덕트(142)를 구비한 전극 건조 오븐(101)이 연결된 건조구간을 지나면서 슬러리의 용매가 건조된다.
또한, 공기의 공급량을 조절할 수 있도록 급기 덕트(141) 상에 장착되어 있는 급기 댐퍼(121), 및 가스의 배출량을 조절할 수 있도록 배기 덕트(142)상에 장착되어 있는 배기 댐퍼(122)를 구비하고, 배기 덕트(142)에서 배기 가스 중의 용매 농도를 측정하는 센서(170), 및 센서(170)로부터 송부된 배기 가스 중의 용매 농도에 대한 정보를 바탕으로, 급기 댐퍼(121) 및 배기 댐퍼(122) 중의 하나 이상을 조절하여 공기 공급량(151, 152) 및/또는 가스 배출량(161, 162)을 제어하는 제어부(130)를 포함하고 있다.
배기 덕트(142)에서 배기 가스 중의 용매 농도를 측정하는 센서(170)는 전극 건조오븐(101)내의 용매의 증발량에 따른 가스 농도를 측정하여 제어부(130)에 전기적 신호를 보내게 되며, 제어부(130)는 센서(170)로부터 전기적 신호를 받아 배기 가스의 용매 농도가 LEL(lower explosive limit)의 25% 이하로 유지되도록 공기 공급량(151, 152) 및/또는 가스 배출량(161, 162)을 조절하도록 급기 댐퍼(121) 및 배기 댐퍼(122)에 부착되어 있는 각 서보모터(111, 112)에 제어 신호를 보내는 시스템을 구성한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 용매를 포함하는 전극 슬러리를 집전체에 코팅한 후 용매를 건조하는 이차전지 제조용 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치로서,
    외부 공기를 공급하는 급기 덕트 및 건조 후 공기와 용매가 혼합된 가스를 배출하는 배기 덕트를 구비한 하나 이상의 전극 건조 오븐;
    공기의 공급량을 조절할 수 있도록 상기 급기 덕트 상에 장착되어 있는 급기 댐퍼, 및 가스의 배출량을 조절할 수 있도록 상기 배기 덕트 상에 장착되어 있는 배기 댐퍼;
    상기 배기 덕트에서 배기 가스 중의 용매 농도를 측정하는 센서; 및
    상기 센서로부터 송부된 배기 가스 중의 용매 농도에 대한 정보를 바탕으로, 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼 중의 하나 이상을 조절하여 공기 공급량 및/또는 가스 배출량을 제어하는 제어부;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용매는 유기 용제인 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 유기 용제는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)인 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 전극 슬러리가 집전체에 코팅된 전극의 진행 방향을 따라 둘 이상의 전극 건조 오븐들이 연속적으로 배열되어 있는 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 자동 급기 유량 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전극 건조 오븐의 길이는 3 m 내지 6 m이고, 총 30 m 내지 60 m 길이의 건조 구간을 구성하도록 전극 건조 오븐들이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 자동 급기 유량 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 댐퍼 및 급기 댐퍼는 각각 덕트형 밸브(duct type valve)인 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 급기 유량 제어 장치는 둘 이상의 전극 건조 오븐들을 포함하고 있고, 상기 제어부는 전극 건조 오븐들에서 배기 가스 중의 용매 농도가 동일하도록 공기 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 배기 가스의 용매 농도가 LEL(lower explosive limit)의 25% 이하로 유지되도록 공기 공급량 및/또는 가스 배출량을 제어하는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼를 조절하여 공기 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 급기 댐퍼 및 배기 댐퍼에는 제어부로부터의 제어 신호에 의해 댐퍼의 개도를 조정하는 댐퍼 조정부를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 댐퍼 조정부는 서보모터인 것을 특징으로 하는 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 전극 건조 오븐의 급기 유량 제어 장치를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 전극.
  13. 제 12 항에 따른 이차전지용 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.
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