KR20200107727A

KR20200107727A - 이차전지의 양극재 제조를 위한 분말원료 건조장치 및 이를 이용하는 분말원료 처리방법

Info

Publication number: KR20200107727A
Application number: KR1020190085041A
Authority: KR
Inventors: 이성민; 이희성
Original assignee: 대성기계공업 주식회사
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2020-09-16
Also published as: KR102255987B1

Abstract

본 발명은, 수평방향으로 배치된 건조기와; 건조기를 가열하는 건조기 가열유닛과; 건조기의 건조실 내 양극재 원료를 교반하는 원료 교반기와; 건조실에 연결된 배기유닛과; 건조기의 원료 배출구를 개폐하는 배출구 개폐유닛을 포함하고, 배출구 개폐유닛이, 회전방향에 따라 원료 배출구를 개폐하는 게이트와; 닫힌 게이트를 가압하거나 닫힌 게이트에 대한 가압을 해제하는 클램프를 포함하는 건조장치를 제공한다. 또한, 이 건조장치를 이용하는 양극재 원료 처리방법을 제공한다.

Description

이차전지의 양극재 제조를 위한 분말원료 건조장치 및 이를 이용하는 분말원료 처리방법 {POWDER RAW MATERIAL DRYING APPARATUS FOR MANUFACTURING CATHODE MATERIAL OF SECONDARY BATTERY AND POWDER RAW MATERIAL TREATMENT METHOD USING THE SAME}

본 발명의 실시예는, 이차전지의 양극재(cathode material) 제조를 위하여 양극재를 구성하는 분말원료(양극재 원료)로부터 주로 함유 수분을 제거하는 건조장치, 그리고 이 건조장치를 이용하여 분말원료(양극재 원료)를 처리하는 방법에 관한 것이다.

근래 들어, 노트북컴퓨터, 태블릿PC, 휴대용 게임기, 휴대전화 등의 모바일기기(mobile device)가 널리 보급됨에 따라 이들 모바일기기의 전원으로서 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.

또, 이에 발맞추어 이차전지의 성능 향상과 제조성 개선을 위한 노력 및 이차전지를 전기차(EV), 에너지저장시스템(ESS) 등에 상용화 가능하게 적용하기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.

일반적으로, 이차전지는 양극재(cathode material), 음극재(anode material), 전해질(electrolyte) 및 분리막(separator)을 포함하는데, 이들 중 양극재는 이차전지의 용량, 출력 등 성능을 결정하는 중요 요소이다.

양극재를 제조하려면, 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등의 분말원료가 요구되고, 이들 분말원료로부터 함유 수분을 제거하는 건조공정을 수행한 후 열처리공정을 수행하여야 양극재의 품질 저하를 방지할 수 있고 특성을 향상시킬 수 있다.

여기에서, 건조공정 및 열처리공정은 전용 장치에서 개별적으로 이루어진다. 이에, 건조공정을 위한 전용 장치와 열처리공정을 위한 전용 장치를 각기 구비하여야 하기 때문에, 원료에 대한 건조와 열처리를 완료하는 데 있어서 고비용 및 장기간이 소요될 수밖에 없고 처리과정이 번거로울 수밖에 없다. 또한, 건조공정 후 원료를 열처리공정을 위한 전용 장치로 이송하는 과정에서 원료가 손상될 수 있고 외부공기 등에 의하여 오염될 수 있다.

따라서, 이에 대한 개선책 마련이 시급히 요구되는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0130292호(2013.12.02.) 대한민국 등록특허공보 제10-1911490호(2018.10.24.)

본 발명의 실시예는 양극재 원료에 대한 건조공정 또는 건조공정과 열처리공정의 안정성 및 효율 향상 면에서 보다 유리한 양극재 원료 건조장치 및 이를 이용하는 양극재 원료 처리장치를 제공하는 데 목적이 있다.

해결하고자 하는 과제는 이에 제한되지 않고, 언급되지 않은 기타 과제는 통상의 기술자라면 이하의 기재로부터 명확히 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 서포트 베이스(support base)와; 상기 서포트 베이스 상에 수평방향으로 배치되고, 내부에 이차전지의 양극재 원료를 수용하는 건조실이 길이방향으로 형성된 건조기와; 상기 건조기의 외부에 가열실을 형성하여 상기 건조기를 상기 가열실에 도입된 가열매체(오일(oil))로 가열하는 적어도 하나 이상의 가열재킷(heating jacket)과; 상기 서포트 베이스에 상기 건조기의 길이방향 한쪽의 고정단(제1 엔드(first end))의 위치를 고정시키는 고정단 받침(고정단 프레임)과; 상기 건조기의 길이방향 다른 쪽의 자유단(제2 엔드(second end))에 장착되고 상기 서포트 베이스에 상기 건조기의 길이방향으로 직선이동 가능하게 장착되어 상기 건조기가 온도 상승으로 팽창하면 이동되는 자유단 받침(자유단 프레임)과; 상기 건조실에 상기 건조기의 길이방향으로 배치된 메인 샤프트(main shaft)와; 상기 메인 샤프트에 연결된 복수의 교반날개와; 상기 메인 샤프트의 양단에서 각각 연장되며, 각각 상기 건조기의 고정단(제1 엔드) 및 자유단(제2 엔드)에 관통되고 베어링(bearing)에 의하여 회전 가능하게 지지된 헤드 샤프트(head shaft) 및 테일 샤프트(tail shaft)와; 상기 건조기의 고정단(제1 엔드)에 관통된 상기 헤드 샤프트를 회전시키는 축 구동수단과; 배기작용에 의하여 상기 건조실을 진공분위기로 조성하고 상기 건조실로부터 수분(수증기)을 배출하는 배기유닛(exhaust unit)과; 상기 배기유닛의 배기라인에 설치된 백 필터(bag filter)를 포함하는, 이차전지의 양극재 원료 건조장치가 제공될 수 있다.

상기 서포트 베이스와 상기 자유단 받침 사이에는 슬라이딩 유도부재(테플론 플레이트, Teflon plate)가 개재되어, 상기 자유단 받침은 슬라이딩 이동될 수 있다. 그리고, 상기 자유단 받침에는 안내슬롯(guide slot)들이 상기 건조기의 길이방향으로 형성되고, 상기 안내슬롯 각각에는 안내핀(guide pin)이 삽입되며, 상기 안내핀들은 하부가 상기 슬라이딩 유도부재에 관통되고 상기 서포트 베이스에 박힐 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 상기 건조실의 바닥을 통하여 상기 건조실 내 양극재 원료에 기체를 주입하여 수분 배출을 촉진하는 기체 주입유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 건조기의 고정단(제1 엔드)과 상기 헤드 샤프트 사이, 그리고 상기 건조기의 자유(제2 엔드)단과 상기 테일 샤프트 사이에는 실링부재(sealing member)를 수용하는 실 하우징(seal housing)이 각각 장착될 수 있다. 그리고, 상기 헤드 샤프트의 내부 및 상기 테일 샤프트의 내부에는 각각 냉각매체가 도입되는 축 냉각실이 형성될 수 있다.

상기 헤드 샤프트와 상기 헤드 샤프트 측의 실 하우징 사이, 그리고 상기 테일 샤프트와 상기 테일 샤프트 측의 실 하우징 사이에는 각각 상기 헤드 샤프트 및 상기 테일 샤프트와 함께 회전하는 슬리브(sleeve)가 개재될 수 있다.

상기 헤드 샤프트 측의 실 하우징 그리고 상기 테일 샤프트 측의 실 하우징에는 상기 실링부재의 냉각을 위한 기체가 도입되는 실링부재 냉각유로가 각각 형성될 수 있다.

상기 건조기는 하부에 상기 건조실과 연통하는 원료 배출구가 형성되고, 상기 원료 배출구는 배출구 개폐유닛에 의하여 개폐될 수 있다.

상기 배출구 개폐유닛은, 상기 원료 배출구의 주위 한쪽에 회전운동 가능하게 장착되어 회전방향에 따라 상기 원료 배출구를 개폐하는 게이트(gate)와; 상기 게이트를 회전시키는 게이트 구동수단과; 상기 원료 배출구의 주위 다른 쪽에 회전운동 가능하게 장착되어 회전방향에 따라 닫힌 상기 게이트를 가압하거나 닫힌 상기 게이트에 대한 가압을 해제하는 클램프(clamp)와; 상기 클램프를 회전시키는 클램프 구동수단을 포함할 수 있다.

상기 원료 배출구에는 상기 게이트가 닫힌 때에 기밀을 유지하기 위한 패킹(packing)이 장착될 수 있다. 그리고, 상기 원료 배출구의 주위에는 냉각매체가 도입되는 배출구 냉각실이 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 상기 헤드 샤프트 측 베어링 및 상기 테일 샤프트 측 베어링에 냉각오일(cooling oil)을 공급하여 상기 베어링을 냉각하고 윤활하는 베어링 냉각유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 서포트 베이스 상에 수평방향으로 배치되고, 내부에 이차전지의 양극재 원료를 수용하는 건조실이 길이방향으로 형성된 건조기와; 상기 건조기를 가열하는 건조기 가열유닛과; 상기 건조실에 수용된 양극재 원료를 교반하는 원료 교반기와; 상기 서포트 베이스에 상기 건조기의 고정단(제1 엔드)의 위치를 고정시키는 고정단 받침과; 상기 건조기의 자유단(제2 엔드)에 장착되고 상기 서포트 베이스에 상기 건조기의 길이방향으로 직선이동 가능하게 장착되어 상기 건조기가 온도 상승으로 팽창하면 이동되는 자유단 받침을 포함하는, 이차전지의 양극재 원료 건조장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 양극재 원료를 세정하는 단계와; 세정된 양극재 원료에 대하여 탈수를 수행하는 단계와; 탈수가 완료된 양극재 원료에 대하여 상기한 바와 같은 건조장치를 이용하여 건조하고 열처리하는 단계와; 건조 및 열처리가 완료된 양극재 원료를 냉각하거나 냉각 및 다른 양극재 원료와의 혼합을 수행하는 단계를 포함하는, 이차전지의 양극재 원료 처리방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 2종 이상의 양극재 원료를 혼합하는 단계와; 혼합된 양극재 원료에 대하여 상기한 바와 같은 건조장치를 이용하여 건조하는 단계와; 건조된 양극재 원료를 냉각하는 단계를 포함하는, 이차전지의 양극재 원료 처리방법이 제공될 수 있다.

과제의 해결 수단은 이하에서 설명하는 실시예, 도면 등을 통하여 보다 구체적이고 명확하게 될 것이다. 또한, 이하에서는 언급한 해결 수단 이외의 다양한 해결 수단이 추가로 제시될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 건조공정 온도 및 그 이상의 열처리공정 온도로 인한 건조장치의 손상이 방지되기 때문에, 양극재 원료에 대한 건조공정과 함께 열처리공정을 수행할 수 있다. 물론, 건조장치에서 건조와 열처리공정이 함께 이루어지기 때문에, 건조된 양극재 원료를 열처리하고자 이송할 필요가 없고(생산성 및 수율 향상), 이에 따라 양극재 원료가 대기 중의 특정 기체와 반응하는 것을 방지하여 양극재의 성능 향상을 도모할 수 있다.

구체적으로는, 건조기가 서포트 베이스에 건조기의 고정단(제1 엔드)과 자유단(제2 엔드)을 각각 장착하는 고정단 받침과 자유단 받침에 의하여 서포트 베이스에 세팅되고, 건조기에 열팽창 발생 시 자유단 받침이 고정단 받침을 기준으로 이동(즉, 건조기의 열팽창 중 특히 선팽창에 유연하게 대응)되기 때문에, 서포트 베이스와 건조기의 결합부가 건조기의 열팽창으로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 실링부재 및 패킹에 대하여 냉각작용으로 열손상을 방지하기 때문에, 건조공정이나 열처리공정 중 기밀성을 안정적으로 유지할 수 있다.

이상의 효과들에 의하면, 건조장치의 장기 사용성을 보장할 수도 있고, 건조장치의 유지 및 관리를 저비용으로 수행할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 건조실의 바닥을 통하여 양극재 원료 더미 속으로 기체가 주입되고, 주입된 기체가 양극재 원료 더미를 통과하면서 양극재 원료 더미 내 수분을 양극재 원료 더미 밖으로 배출시킴과 아울러 배기구 쪽으로 유도하기 때문에, 수분 배출을 촉진할 수 있고, 이로써 건조공정에 소요되는 시간을 단축할 수 있고, 아울러 건조공정에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건조장치가 도시된 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건조장치가 건조기 위주로 도시된 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건조장치의 자유단 받침 및 그 주변 구성이 도시된 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 건조장치의 헤드 샤프트 및 그 주변 구성이 도시된 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 건조장치의 테일 샤프트 및 그 주변 구성이 도시된 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건조장치의 배출구 개폐유닛이 도시된 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 참조하는 도면에서 구성요소의 크기나 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 데 사용되는 용어는 주로 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자의 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 용어에 대해서는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 해석하는 것이 마땅하겠다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치는 주로 이차전지의 양극재 제조를 위하여 양극재 원료를 고온으로 건조하거나 열처리하는 데 사용될 수 있다.

도 1 내지 도 6에는 본 발명의 실시예에 따른 건조장치가 도시된 구성, 작동 등이 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치는 서포트 베이스(5) 및 건조기(10)를 포함한다. 건조기(10)는 서포트 베이스(5) 상에 설치되고 내부에 건조실(101)이 마련된다. 건조실(101)에는 이차전지의 제조에 사용되는 분말상의 양극재 원료가 수용된다. 양극재 원료는 리튬(Li), 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 건조기(10)를 고온(최고 350℃)으로 가열하는 건조기 가열유닛(30), 건조실(101)에 수용된 양극재 원료를 교반하는 원료 교반기(40), 그리고 건조실(101)을 진공분위기로 조성함과 아울러 건조실(101)로부터 수분(수증기)을 배출하는 배기유닛(50)을 더 포함한다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 건조장치는 진공분위기에서 양극재 원료에 대한 건조공정을 수행할 수 있다. 그리고, 건조공정 중 수분을 배출할 수 있고, 양극재 원료를 특성에 따라 적합한 온도로 열처리할 수 있다.

건조기(10)는 일정한 길이를 가진다. 건조기(10)는 수평방향으로 배치되고, 건조실(101)은 건조기(10)의 길이방향으로 형성된다. 건조실(101)은 내식성 재질로 이루어진다. 내식성 재질에 의하면, 양극재 원료에 건조실(101)의 부식으로 인하여 불순물이 혼입되는 것을 예방할 수 있다. 일례로, 건조실(101)의 재질은 스테인리스 스틸(stainless steel)일 수 있다.

이와 같은 건조기(10)는, 길이방향 양단이 각각 개방된 건조기 바디(dryer body, 110), 그리고 건조기 바디(110)의 개방된 양단을 각각 차폐하는 두 사이드 커버(side cover, 120A, 120B)를 포함한다. 물론, 건조실(101)은 건조기 바디(110)와 두 사이드 커버(120A, 120B)에 의하여 한정된 내부공간이다.

건조기 바디(110)는 크기가 일정한 원형의 횡단면을 가지도록 형성된다. 건조기 바디(110)의 상부에는 각각 건조실(101)과 연통하는 원료 투입구(102)와 배기구(104)가 형성되고, 건조기 바디(110)의 하부에는 건조실(101)과 연통하는 원료 배출구(103)가 형성된다. 건조할 양극재 원료는 원료 투입구(102)를 통하여 건조실(101)에 투입되고, 건조된 양극재 원료는 원료 배출구(103)를 통하여 건조실(101)로부터 배출된다. 배기유닛(50)에 의한 배기 및 수분 배출은 배기구(104)를 통하여 이루어진다.

도시된 바는 없으나, 건조기 바디(110)의 외주에는 건조기 바디(110)를 구조적으로 보강하고 온도 상승에 따른 건조기 바디(110)의 부피팽창을 억제하는 리브(rib)들이 용접으로 접합된다. 리브들은 건조기 바디(110)의 외주방향으로 형성되고 건조기(10)의 길이방향으로 서로 이격될 수 있다.

건조기(10)는 건조기 받침(20)에 의하여 지지된다. 건조기 받침(20)은, 두 사이드 커버(120A, 120B) 중 어느 하나에 장착된 상태로 서포트 베이스(5)에 장착된 고정단 받침(210), 그리고 두 사이드 커버(120A, 120B) 중 나머지 하나에 장착된 상태로 서포트 베이스(5)에 건조기(10)의 길이방향으로 직선이동 가능하게 장착된 자유단 받침(220)을 가진다.

이와 같은 건조기 받침(20)에 의하면, 건조기(10)는 고정단(10A) 및 자유단(10B)을 가진다. 그리고, 건조기(10)의 고정단(10A)과 자유단(10B)은 각각 고정단 받침(210)과 자유단 받침(220)에 의하여 지지된다. 그리고, 자유단 받침(220)은 건조기(10)에 온도 상승으로 인하여 열팽창이 발생하면 고정단 받침(210)을 기준으로 이동된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 서포트 베이스(5) 상에 건조기(10)를 안정적으로 세팅할 수 있음은 물론이고, 서포트 베이스(5)와 건조기(10)의 결합부가 건조기(10)의 열팽창(특히, 선팽창) 현상으로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.

고정단 받침(210)은 체결볼트들에 의하여 서포트 베이스(5)에 결합되어 위치가 고정될 수 있다.

자유단 받침(220)의 직선이동을 위하여, 서포트 베이스(5)와 자유단 받침(220) 사이에는 슬라이딩 유도부재(230)가 개재된다. 슬라이딩 유도부재(230)는 자유단 받침(220)과 접촉되는 슬라이딩면을 제공하고, 자유단 받침(220)은 슬라이딩 유도부재(230)의 슬라이딩면을 따라 이동된다. 슬라이딩 유도부재(230)는, 평편한 상면을 가지도록 형성되고, 평편한 상면을 슬라이딩면으로 한다.

이와 같은 슬라이딩 유도부재(230)는 마찰계수가 작은 소재를 포함할 수 있다. 일례로, 슬라이딩 유도부재(230)는 테플론(Teflon)으로 이루어진 플레이트일 수도 있고 상부에 테플론이 일정한 두께로 코팅된 플레이트일 수도 있다.

자유단 받침(220)에는 안내슬롯(221)들이 관통된다. 안내슬롯(221)들은 건조기(10)의 길이방향으로 길게 형성된다. 안내슬롯(221)들은 서로 나란하도록 일정한 간격을 두고 수평방향으로 배치될 수 있다.

안내슬롯(221) 각각에는 안내핀(240)이 삽입된다. 안내핀(240) 각각은 하부가 슬라이딩 유도부재(230)에 관통된 상태로 서포트 베이스(5)에 박혀 슬라이딩 유도부재(230)의 수평방향 이동을 제한하고 자유단 받침(220)이 건조기(10)의 길이방향으로 정확히 이동하도록 안내한다. 예를 들어, 안내핀(240)들은 수나사를 가진 볼트이고, 서포트 베이스(5)에는 이러한 볼트들과 결합되는 나사구멍들이 형성될 수 있다.

안내슬롯(221)들과 안내핀(240)의 안내작용에 의하면, 자유단 받침(220)이 건조기(10)의 길이방향에서 어긋난 방향으로 이동됨에 따라 건조기(10) 등이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

건조기 가열유닛(30)은, 건조기(10)의 외부에 가열실(301)을 형성하는 적어도 하나 이상의 가열재킷(310, 320), 그리고 가열실(301)에 가열매체를 도입하는 가열매체 공급원을 포함함으로써, 건조기(10)를 가열실(301)에 도입된 가열매체로 가열한다.

가열재킷(310, 320)은 복수로 구비되고 건조기(10)를 전반적으로 균일하게 가열할 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가열재킷(310, 320)은, 건조기 바디(110)를 감싸는 적어도 하나 이상의 바디 가열재킷(310), 그리고 두 사이드 커버(120A, 120B)를 각각 감싸는 커버 가열재킷(320)으로 구분될 수 있다. 또한, 바디 가열재킷(310)은 복수로 구비되고 건조기(10)의 길이방향으로 배열될 수 있다.

건조기 가열유닛(30)은, 가열재킷(310, 320)에 가열실(301)과 연통하는 가열매체 입구와 가열매체 출구가 각각 마련되고, 가열매체가 가열매체 입구를 통하여 가열매체 공급원으로부터 가열실(301)로 공급되고 가열매체 출구를 통하여 가열실(301)로부터 가열매체 공급원으로 회수되는 식으로 순환하도록 구성될 수 있다. 가열매체는 오일일 수 있고, 가열매체 공급원은 보일러(boiler)일 수 있다.

이와 같은 건조기 가열유닛(30)에 의하면, 건조실(101)을 양극재 원료의 건조 또는 열처리에 요구되는 온도로 균일하게 유지할 수 있다.

원료 교반기(40)는, 회전축(410, 420, 430 참조), 회전축에 장착된 교반날개(440)들, 그리고 회전축을 회전시키는 축 구동수단(450)을 포함함으로써, 축 구동수단(450)에 의하여 회전축을 회전시키면, 양극재 원료가 교반날개(440)들에 의하여 교반되고, 양극재 원료 더미 내 수분이 양극재 원료 더미 밖으로 배출된 후 배기구(104)를 통하여 건조실(101)의 외부로 배출된다.

회전축은, 건조실(101)에 건조기(10)의 길이방향으로 배치된 메인 샤프트(410), 그리고 메인 샤프트(410)의 양단에 각각 연결된 헤드 샤프트(420)와 테일 샤프트(430)를 포함한다. 메인 샤프트(410)로는 경량화를 위하여 중공축이 적용될 수 있다. 헤드 샤프트(420)와 테일 샤프트(430)는 메인 샤프트(410)의 양단으로부터 각각 건조기(10)의 고정단(10A) 쪽과 자유단(10B) 쪽으로 연장되고 양쪽의 두 사이드 커버(120A, 120B)에 각각 관통된다.

이와 같은 회전축은 전체적으로 또는 건조기(10)의 외부에 위치되는 부분을 제외한 나머지에 한하여 내마모성 재질이 코팅된다. 내마모성 재질 코팅에 의하면, 양극재 원료에 회전축의 마모로 인하여 불순물이 혼입되는 것을 예방할 수 있다. 예를 들어, 회전축은 내마모성이 우수한 텅스텐 카바이드(tungsten carbide, WC)로 코팅될 수 있다.

교반날개(440)들은 메인 샤프트(410)의 외주에 연결되어 회전축과 함께 회전된다. 양극재 원료에 교반날개(440)들의 마모로 인하여 불순물이 혼입되는 것을 예방하기 위하여, 교반날개(440)들에는 내마모성 재질이 코팅된다. 일례로, 교반날개(440)들에 대한 코팅은 텅스텐 카바이드로 이루어질 수 있다.

살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치는 건조실(101)이 수평방향으로 형성되고 회전축(410, 420, 430 참조)도 건조실(101)과 나란한 방향인 수평방향으로 배치되며 교반날개(440)들이 회전축의 외주에 장착된다. 즉, 수평형 구조를 가지는 것이다. 이러한 수평형 구조는, 건조실이 수직방향으로 형성되고 외주에 교반날개들이 장착된 회전축도 수직방향으로 배치된 수직형 구조와 비교하여 볼 때, 대용량화 면에서 더 유리하다는 이점이 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 수직형 구조의 경우에는 용량을 증대하려면 건조실을 수평방향으로 확대시킬 수밖에 없다. 건조실을 수직방향으로 확대시켜 양극재 원료를 높이 쌓고 건조(또는, 열처리)공정을 수행하면, 공정효율이 크게 저하되기 때문이다. 그런데, 건조실을 수평방향으로 확대시키면, 양극재 원료를 균일하게 교반하기 위하여 교반날개들을 대형화하거나 교반날개들이 장착된 회전축을 복수로 적용하여야 하는 문제를 감수하여야 한다.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치가 가지는 수평형 구조는 이와 같은 수직형 구조의 문제를 해소하면서 대용량으로 구성할 수 있는 것이다.

축 구동수단(450)은 고정단(10A) 측 사이드 커버(120A)에 관통된 헤드 샤프트(420)에 연결된다. 이에 의하면, 건조기(10)의 열팽창(특히, 선팽창) 현상이 축 구동수단(450)에 영향을 끼치지 않으므로 축 구동수단(450)을 안전하게 보호할 수 있다.

축 구동수단(450)은 구동모터(451) 및 동력전달기구를 포함할 수 있다. 동력전달기구는 체인전동기구일 수 있다. 구체적으로, 동력전달기구는, 구동모터(451)의 축 및 헤드 샤프트(420)에 각각 장착되고 서로 짝을 이루는 두 스프로킷 휠(sprocket wheel, 452, 453), 그리고 두 스프로킷 휠(452, 453)에 걸린 체인(chain)을 포함함으로써, 구동모터(451)의 회전력을 헤드 샤프트(420)에 전달할 수 있다.

두 사이드 커버(120A, 120B)에 각각 관통된 헤드 샤프트(420)와 테일 샤프트(430)는 베어링(460A, 460B)을 포함하는 베어링 어셈블리(bearing assembly)에 의하여 회전 가능하게 지지된다.

고정단(10A) 측의 사이드 커버(120A)와 헤드 샤프트(420) 사이에는 고정단(10A) 측의 사이드 커버(120A)와 헤드 샤프트(420) 사이의 기밀을 유지하기 위한 실 하우징(470A)이 장착된다. 자유단(10B) 측의 사이드 커버(120B)와 테일 샤프트(430) 사이에도 자유단(10B) 측의 사이드 커버(120B)와 테일 샤프트(430) 사이의 기밀을 유지하기 위한 실 하우징(470B)이 장착된다.

헤드 샤프트(420) 측의 실 하우징(470A)은 고정단(10A) 측의 사이드 커버(120A)와 헤드 샤프트(420) 사이에 적어도 하나 이상의 실링부재(471)가 수용되는 실링공간을 형성한다. 그리고, 테일 샤프트(430) 측의 실 하우징(470B)은 자유단(10B) 측의 사이드 커버(120B)와 테일 샤프트(430) 사이에 적어도 하나 이상의 실링부재(471)가 수용되는 실링공간을 형성한다.

헤드 샤프트(420) 측의 실 하우징(470A)과 테일 샤프트(430) 측의 실 하우징(470B)에는 실링부재(471)의 냉각을 위한 실링부재 냉각유로(472)가 각각 형성될 수 있다. 실링부재 냉각유로(421, 431)에는 기체가 강제적으로 도입될 수 있다. 실링부재 냉각유로(421, 431)에 도입되어 헤드 샤프트(420) 측의 실 하우징(470A) 내 및 테일 샤프트(430) 측의 실 하우징(470B) 내 실링부재(471)를 냉각하는 기체로는, 외부 공기를 사용하면 실링부재(471)의 기밀성 저하 시 외부 공기가 자칫 건조실(101)로 유입되어 양극재 원료와 반응할 수 있기 때문에, 건조실(101)에서 처리되는 양극재 원료와 반응하지 않는 종류의 기체를 선택하여 사용하는 것이 양극재 품질 저하 방지 면에서 바람직하다.

헤드 샤프트(420) 측의 실 하우징(470A)과 헤드 샤프트(420)와 사이에는 헤드 샤프트(420)와 함께 회전하는 슬리브(480A)가 개재된다. 헤드 샤프트(420) 측의 슬리브(480A)는 헤드 샤프트(420)에 체결볼트로 결합될 수 있다. 테일 샤프트(430) 측의 실 하우징(470B)과 테일 샤프트(430) 사이에는 테일 샤프트(430)와 함께 회전하는 슬리브(480B)가 개재된다. 테일 샤프트(430) 측의 슬리브(480B)는 테일 샤프트(430)에 체결볼트로 결합될 수 있다.

이와 같은 슬리브(480A, 480B)는 헤드 샤프트(420)와 테일 샤프트(430)가 실 하우징(470A, 470B) 내 실링부재(471)와 직접적으로 접촉되는 것을 차단하여 헤드 샤프트(420)와 테일 샤프트(430)를 보호(마모 방지)한다.

배기유닛(50)은 배기작용을 수행하는 진공펌프(vacuum pump, 510)를 포함한다. 진공펌프(510)는 배기라인을 통하여 배기구(104)에 연결된다.

백 필터(55)는 배기구(104)를 통하여 수분과 함께 배출되는 양극재 원료를 포집한다. 백 필터(55)는 포집된 양극재 원료를 배기구(104)를 통하여 건조실(101)로 낙하시킬 수 있게 배기구(104) 상에 수직방향으로 배치될 수 있다.

원료 배출구(103)는 배출구 개폐유닛에 의하여 개폐된다. 배출구 개폐유닛은 게이트(610), 게이트 구동수단(620), 클램프(630) 및 클램프 구동수단(640)을 포함한다.

원료 배출구(103)를 기준으로 원료 배출구(103)의 양옆에는 두 힌지축이 건조기(10)의 길이방향으로 배치된다.

게이트(610)는, 두 힌지축 중에서 어느 하나에 한쪽이 장착되어 해당 힌지축과 함께 회전되고, 회전방향에 따라 원료 배출구(103)를 개방하거나 폐쇄한다. 클램프(630)는, 두 힌지축 중에서 나머지에 한쪽이 장착되어 해당 힌지축과 함께 회전되고, 회전방향에 따라 닫힌 게이트(610)를 가압하여 닫힌 상태로 유지시키거나 닫힌 게이트(610)에 대한 가압을 해제한다. 게이트 구동수단(620)은 게이트(610) 측의 힌지축을 회전시키고, 클램프 구동수단(640)은 클램프(630) 측의 힌지축을 회전시킨다.

게이트 구동수단(620)은, 실린더 하우징이 게이트(610) 측의 힌지축과 나란한 축을 중심으로 회전 가능한 실린더(cylinder, 621), 그리고 실린더(621)의 피스톤 로드(piston rod)에 한쪽 단부가 게이트(610) 측의 힌지축과 나란한 축을 중심으로 회전 가능하게 연결된 상태로 게이트(610) 측의 힌지축에 다른 쪽 단부가 장착된 링크(link, 622)를 포함한다. 실린더(621)는 주변의 구조물(예를 들어, 건조기 또는 서포트 베이스 등)에 장착된 브래킷에 의하여 게이트(610) 측의 힌지축과 나란한 축을 중심으로 회전 가능하게 지지될 수 있다.

게이트 구동수단(620)에 의하면, 피스톤 로드의 이동방향에 따라 링크(622)가 회전되고, 게이트(610) 측의 힌지축이 링크(622)와 동일방향으로 회전되어, 게이트(610)가 열리거나 닫힌다.

클램프 구동수단(640)도 실린더(641)와 링크(642)로 구성된다. 클램프 구동수단(640)의 실린더(641) 및 링크(642)는 게이트 구동수단(620)의 실린더(621) 및 링크(622)와 동일하거나 유사하게 구성되고 작동하는 것이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 건조실(101)의 바닥을 통하여 양극재 원료에 기체를 주입하는 기체 주입유닛(70)을 더 포함한다.

기체 주입유닛(70)은, 건조실(101)의 바닥에 균일하게 분포된 노즐(710)들, 그리고 노즐(710)들에 연결된 기체 공급원을 포함한다. 노즐(710)들은 건조실(101)의 바닥으로부터 돌출됨이 없이 마련되는 것이 바람직하다. 기체 주입유닛(70)으로부터 건조실(101)로 주입되는 기체로는 건조실(101)에서 처리되는 양극재 원료와 반응하지 않는 종류의 기체를 선택하여 사용하는 것이 양극재의 성능 향상 도모 면에서 바람직하다.

기체 주입유닛(70)에 의하면, 노즐(710)들로부터 상측으로 분출된 기체는 양극재 원료 더미에 주입되고 양극재 원료 더미를 통과한다. 이 때, 양극재 원료 더미 내 수분은 양극재 원료 더미를 통과하는 기체에 의하여 양극재 원료 더미 밖으로 강제적으로 배출된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 건조공정 중 수분 배출을 촉진할 수 있고, 건조공정에 소요되는 시간 및 에너지를 절약할 수 있다.

헤드 샤프트(420)의 내부와 테일 샤프트(430)의 내부에는 각각 축 냉각실(421, 431)이 형성된다. 각각의 축 냉각실(421, 431)에는 냉각매체 공급원을 포함하는 축 냉각유닛(80)에 의하여 냉각매체가 도입된다. 각각의 축 냉각실(421, 431)에 도입된 냉각매체는 회수된 후 재공급될 수 있다.

축 냉각유닛(80)에 의하면, 헤드 샤프트(420) 및 테일 샤프트(430)를 냉각하여 헤드 샤프트(420) 측의 실 하우징(470A) 내 실링부재(471) 및 테일 샤프트(430) 측의 실 하우징(470B) 내 실링부재(471)가 고온으로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있고, 이로써 건조공정 중 실링부재(471)에 의한 기밀성을 안정적으로 유지할 수 있다.

건조기 바디(110)는 원료 배출구(103)의 주위가 일정한 높이만큼 돌출된 형상을 가지도록 형성되고, 돌출된 원료 배출구(103)에는 게이트(610)가 닫힌 때 기밀을 유지하는 패킹(130)이 장착된다. 또한, 돌출된 원료 배출구(103)의 주위에는 배출구 냉각실(105)이 형성된다. 배출구 냉각실(105)에는 냉각매체 공급원을 포함하는 배출구 냉각유닛(90)에 의하여 냉각매체가 도입된다. 배출구 냉각실(105)에 도입된 냉각매체는 회수된 후 재공급될 수 있다.

배출구 냉각유닛(90)에 의하면, 건조공정 중 원료 배출구(103)의 주위를 냉각할 수 있고, 이로써 패킹(130)을 고열로부터 안전하게 보호할 수 있다. 이에, 패킹(130)에 대한 안전성을 확보할 수 있고, 패킹(130)의 열손상에 따른 기밀성 저하를 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치는, 헤드 샤프트(420) 측의 베어링(460A)과 테일 샤프트(430) 측의 베어링(460B)에 대하여 냉각오일을 공급하여 냉각하고 윤활하는 베어링 냉각유닛(85)을 더 포함할 수 있다.

베어링 냉각유닛(85)에 의하면, 고온에서 베어링(460A, 460B)의 원활한 작동성을 보장할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 건조장치를 이용하는 양극재 원료 처리방법을 살펴보면 다음과 같다.

일례로, 양극재 원료를 세정하고, 세정된 양극재 원료를 탈수한 후, 탈수된 양극재 원료에 대하여 본 발명의 실시예에 따른 건조장치를 이용하여 건조 및 열처리를 수행한 다음, 양극재 원료를 핸들링이 가능한 온도로 냉각하는 순으로 처리할 수 있다.

이와 같은 처리방법에 의하면, 양극재 원료는, 세정공정(예를 들어, 물을 이용한 세정)을 통하여 불필요한 성분이 제거된 후, 탈수공정과 건조공정으로 수분이 제거됨과 아울러 요구의 특성을 가지도록 적합한 온도로 열처리될 수 있다. 필요에 따라서는, 냉각공정 시에 양극재 원료를 다른 양극재 원료와 혼합하여 특성을 보완할 수도 있다.

여기에서, 냉각공정은, 별도의 전용 장치를 이용하여 수행할 수도 있고, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치를 이용하여 수행할 수도 있다. 양극재 원료를 대량으로 처리하는 경우에는 냉각공정을 별도의 전용 장치로 이송, 수행하는 것이 냉각시간 단축 면에서 유리할 수 있다. 양극재 원료를 소량으로 처리하는 경우에는 본 발명의 실시예에 따른 건조장치의 건조기 가열유닛(30)가 제공하는 가열매체를 저온(예를 들어, 약 30℃)으로 식힌 후 공급하는 방식으로 수행될 수 있다.

다른 예로, 2종 이상의 양극재 원료를 혼합하고, 혼합된 양극재 원료에 대하여 본 발명의 실시예에 따른 건조장치를 이용하여 건조한 후, 건조된 양극재 원료를 핸들링이 가능한 온도로 냉각할 수 있다. 필요에 따라서는, 냉각된 양극재 원료를 소성할 수도 있다.

여기에서, 냉각공정 및 소성공정 각각은, 별도의 전용 장치를 이용하여 수행할 수도 있고, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치에 의하여 수행할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치를 이용하여 건조공정과 함께 소성공정을 수행한 후 냉각공정을 별도의 전용 장치에 의하여 수행할 수도 있고, 본 발명의 실시예에 따른 건조장치를 이용하여 건조공정, 소정공정 및 냉각공정의 순으로 양극재 원료를 처리할 수도 있다.

이상에서는 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상은, 각각 독립적으로 실시될 수도 있고, 둘 이상이 서로 조합되어 실시될 수도 있다.

10 : 건조기
10A : 고정단
10B : 자유단
20 : 건조기 받침
210 : 고정단 받침
220 : 자유단 받침
230 : 슬라이딩 유도부재
30 : 건조기 가열유닛
40 : 원료 교반기
410 : 메인 샤프트
420 : 헤드 샤프트
430 : 테일 샤프트
440 : 교반날개
450 : 축 구동수단
50 : 배기유닛
55 : 백 필터
60 : 배출구 개폐유닛
70 : 기체 주입유닛

Claims

서포트 베이스와; 상기 서포트 베이스 상에 수평방향으로 배치되고, 내부에 이차전지의 양극재 원료를 수용하는 건조실이 길이방향으로 형성되며, 하부에 상기 건조실과 연통하는 원료 배출구가 형성된 건조기와; 상기 원료 배출구를 개폐하는 배출구 개폐유닛과; 상기 건조기를 가열하는 건조기 가열유닛과; 상기 건조실에 수용된 양극재 원료를 교반하는 원료 교반기와; 배기작용에 의하여 상기 건조실을 진공분위기로 조성하고 상기 건조실로부터 수분을 배출하는 배기유닛을 포함하고,
상기 배출구 개폐유닛은,
상기 원료 배출구의 주위 한쪽에 회전운동 가능하게 장착되어 회전방향에 따라 상기 원료 배출구를 개폐하는 게이트와;
상기 게이트를 회전시키는 게이트 구동수단과;
상기 원료 배출구의 주위 다른 쪽에 회전운동 가능하게 장착되어 회전방향에 따라 닫힌 상기 게이트를 가압하거나 닫힌 상기 게이트에 대한 가압을 해제하는 클램프와;
상기 클램프를 회전시키는 클램프 구동수단을 포함하는,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 원료 배출구에는 상기 게이트가 닫힌 때 기밀을 유지하는 패킹이 장착되고,
상기 원료 배출구의 주위에는 냉각매체가 도입되는 배출구 냉각실이 형성된,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 건조실에 수용된 양극재 원료 내로 상기 건조실의 바닥을 통하여 기체를 주입하는 기체 주입유닛을 더 포함하는,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 원료 교반기는, 상기 건조실에 상기 건조기의 길이방향으로 배치된 메인 샤프트와; 상기 메인 샤프트에 연결된 복수의 교반날개와; 상기 메인 샤프트의 양단에서 각각 연장되어 상기 건조기의 길이방향 한쪽의 제1 엔드 및 길이방향 다른 쪽의 제2 엔드에 각각 관통되고 각각 베어링에 의하여 회전 가능하게 지지된 헤드 샤프트 및 테일 샤프트와; 상기 헤드 샤프트를 회전시키는 축 구동수단을 포함하고,
상기 제1 엔드와 상기 헤드 샤프트 사이 및 상기 제2 엔드와 상기 테일 샤프트 사이에는 실링부재를 수용하는 실 하우징이 각각 장착되며,
상기 헤드 샤프트의 내부와 상기 테일 샤프트의 내부에는 냉각매체가 도입되는 축 냉각실이 각각 형성된,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
청구항 4에 있어서,
상기 헤드 샤프트와 상기 헤드 샤프트 측의 실 하우징 사이 및 상기 테일 샤프트와 상기 테일 샤프트 측의 실 하우징 사이에는 각각 상기 헤드 샤프트 및 상기 테일 샤프트와 함께 회전하는 슬리브가 개재된,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
청구항 4에 있어서,
상기 헤드 샤프트 측의 실 하우징 및 상기 테일 샤프트 측의 실 하우징에는 상기 실링부재의 냉각을 위한 기체가 도입되는 실링부재 냉각유로가 각각 형성된,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
청구항 4에 있어서,
상기 헤드 샤프트 측의 베어링 및 상기 테일 샤프트 측의 베어링에 냉각오일을 공급하여 상기 베어링을 냉각하고 윤활하는 베어링 냉각유닛을 더 포함하는,
이차전지의 양극재 원료 건조장치.
양극재 원료를 세정하는 단계와;
세정된 양극재 원료에 대하여 탈수를 수행하는 단계와;
탈수가 완료된 양극재 원료에 대하여 청구항 1에 기재된 건조장치를 이용하여 건조하고 열처리하는 단계와;
건조 및 열처리가 완료된 양극재 원료를 냉각하거나 냉각 및 다른 양극재 원료와의 혼합을 수행하는 단계를 포함하는,
이차전지의 양극재 원료 처리방법.
2종 이상의 양극재 원료를 혼합하는 단계와;
혼합된 양극재 원료에 대하여 청구항 1에 기재된 건조장치를 이용하여 건조하는 단계와;
건조된 양극재 원료를 냉각하는 단계를 포함하는,
이차전지의 양극재 원료 처리방법.