KR20200113067A - 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치 - Google Patents

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Abstract

리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 관한 것으로,
MC 용재의 끓는 점 이하의 수준으로 필름 온도를 승온하고, 필름 기공에 묻어있는 MC 용재를 최대한 제거하는 예열부; 예열부에서 예열된 필름을 MC 용재의 끓는 점 이상의 온도로 가온하여 필름에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 건조부; 예열부 및 건조부에서 가열된 필름을 상온으로 냉각하는 냉각부;를 포함하는 기술 구성을 통하여
리튬이차전지 분리막 필름 제조과정에서 오일을 제거하는 추출공정에서 사용되는 필름 표면에서 MC 용재를 간편하게 회수할 수 있게 되고, MC 용재의 회수과정에서 증발 MC 용재가 대기중으로 배출되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

Description

리튬이차전지 분리막 필름 건조장치 {DRYING APPARATUS FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY SEPARATION FILM}
본 발명은 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 리튬이차전지 분리막 필름 생산 공정 중의 분리막 필름 표면의 오일을 제거하는 추출공정에서 분리막 필름을 건조시키면서 필름의 표면에 잔류하는 MC 용재를 회수하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 관한 것이다.
이차전지는 전기화학반응을 이용해 충전과 방전을 연속적으로 반복하여 반영구적으로 사용 할 수 있는 화학전지로서, 납축전지, 니켈 카드뮴전지, 니켈 수소전지, 리튬 이차전지로 구분된다.
이중, 리튬이차전지는 다른 전지들에 비하여 높은 전압 및 에너지 밀도 특성이 우수하여 이차전지 시장을 주도하고 있으며, 전해질의 종류에 따라서 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고체형 전해질을 사용하는 리튬 이온 고분자 전지로 구분된다.
리튬이차전지 기술의 발전은 전기자동차를 자동차 시장에 성공적으로 재정착시켰으며, 전기 자동차의 판매 증가는 리튬이차전지산업의 성장을 촉진하고 있으며, 최근에는 하이브리드 자동차 및 전기자동차용 전원으로 크게 주목을 받는 등 그 응용범위가 확대되고 있다.
이에 따라 고용량 특성 이외에도 고출력 성능 및 안전성이 향상된 전지 개발에 대한 요구가 증가하고 있다.
리튬이차전지는 높은 에너지 밀도와 출력, 비메모리 효과, 긴 수명 등의 장점으로 인하여 고출력과 대용량이 요구되는 전기자동차용으로 사용되며, 스마트 IT기기 등의 휴대용 전자 기기 등 넓은 전자기기 시장에서 사용되고 있다.
특히, 4차 산업혁명이 몰고 올 스마트화시대의 가장 중요한 기술로 이차전지 산업이 주목받고 있으며, 리튬이차전지가 기술 표준으로 자리매김하고 있으며 전기자동차로 대변되는 스마트카, 에너지저장 기술의 핵심인 스마트 그리드 등 전기 수요를 능동적으로 조절할 수 있는 핵심기술로 리튬이차전지가 주목받고 있다.
상기 리튬이차전지는 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있으며, 이중 리튬이차전지 분리막의 요구 특성은 양극과 음극을 분리하여 전기적으로 절연시키면서도 높은 기공도를 바탕으로 리튬 이온의 투과성을 높여 이온전도도를 높이는 것이다. 또한, 외부 충격이나 전지의 조립시, 고속의 권취 과정에서 견딜 수 있는 기계적 강도를 지녀야 하고, 과충전, 고온 노출 등으로 분리막의 열 수축 현상이 발생하여 전지가 발화 및 폭발하지 않아야 한다.
리튬이차전지의 4대 구성요소 가운데 하나인 분리막은 마이크론(um) 이하의 미세 기공을 갖는 필름으로서 리튬이차전지 내에서 양극과 음극을 격리시켜 두 전극의 물리적 접촉에 의한 전기적 단락을 방지하고, 미세 기공 내에 함침된 전해액을 통해 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 역할을 한다.
이러한 특성을 고려할 때, 분리막은 전지의 고출력화 및 전지 안전성 향상에 매우 큰 영향을 끼친다고 할 수 있고, 고에너지 및 고출력 밀도를 갖는 전지를 개발하기 위해서는 기계적 강도가 유지되면서 얇고 기공도가 우수한 분리막이 요구되며, 전지 안전성 향상 측면에서는 셧다운, 용융다운 및 기계적 강도가 우수하고 열수축이 적은 분리막 개발이 지속적으로 진행되고 있다.
리튬이차전지의 수요는 2016년 65.1GWh에서 연평균 20% 증가하면서 2024년에 약 283.5GWh를 기록할 전망이며, 전기차, 스마트기기(휴대용 전자기기) 및 에너지 저장 설비 등에서 지속적으로 수요가 증가할 것으로 예상된다.
고효율 리튬이차전지 생산을 위한 연구개발 투자가 지속적으로 증가하고 있으며, 시장의 요구 또한 증가되어 이차전지 분리막의 세계 시장 규모는 2015년 6.4조 원, 2016년 9.2조원이었으며 2020년에는 18.9조 원으로 예상된다.
최근 보고된 다양한 리튬이차전지 안전성 사고의 원인은 다양하지만, 분리막 제품이 전지 안전성 확보에 중요한 소재 중 하나이며, 분리막의 내열성, 균일도, 기계적 강도 등의 물성 향상을 통해 전지 안정성 향상에 기여함은 명확하다.
리튬이차전지용 분리막 필름의 수요 증가 및 안정성 확보, 고효율 사양 요구로 인해 대폭화(4m급)를 통한 생산성 향상과 제조 공정에서의 품질 향상, 에너지 소비율 절감, 친환경 생산 설비 구축 등이 요구되고 있는 실정이며, 이에 적합한 설비의 개발이 필요하다.
도 1은 리튬이차전지 분리막 필름 제조 공정도이다.
일반적으로 리튬이차전지 분리막 필름 제조공정은 도 1과 같이 분리막용 시트를 제작하는 압출공정; 분리막용 시트를 압착하는 캐스팅공정: 분리막용 시트의 제1연신공정; 분리막 필름에 형성된 기공내 오일을 제거하는 추출공정; 분리막 필름 형상 유지를 위한 제2연신공정;을 포함한다.
상기 리튬이차전지 분리막 필름 생산 공정 중에서 추출공정에서는 미건조부의 발생이나 오일의 불완전 제거, 건조 성능 저하 등으로 인하여 분리막 필름에 주름이 발생할 수 있고, 오일이나 오일제거용 MC 용재가 완전하게 제거되지 않을 수 있게 된다.
하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 리윰이차전지용 분리막 제조방법이 개시되어 있고, 특허문헌 3에는 이차전지용 분리막 필름의 제조장치가 개시되어 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 설치상태의 개략도이다.
종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)는 추출공정 중 발생하는 유해가스인 MC(Methyl-chloride, 메틸클로라이드, 이하 MC) 용재 가스 기밀을 위하여 워터 샤워 시스템(Water shower system)이 적용되었으며, 건조 시 MC 용재와 물의 건조를 위하여 열풍과 히팅롤을 동시 사용하는 방식으로 구성된다.
종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)는 물의 건조를 위하여 열풍 건조방식이 사용되고, 그에 따라 열풍 건조 온도는 예를 들면 120℃로 설정되어 에너지의 소비량이 많게 되는 문제가 있었다.
분리막 필름의 재질은 폴리올레핀 계열의 폴리에틸렌(PE) 소재를 사용하고 있으며, 분리막 필름은 130℃에서부터 용융되기 시작하므로, 120℃로 열풍이 공급되어 건조되기는 하지만, 국부적으로 분리막 필름의 용융온도보다 높은 온도로 열풍이 공급되는 지점이 발생하는 경우에는 그 지점에서 국부적으로 필름이 용융되고 수축되면서 용융되지 않는 필름다른 곳과는 달리 국부적으로 용융수축되면서 용융온도보다 높은 열풍에 노출된 지점에 주름이 발생하여 분리막 필름의 불량이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)는 MC 용재를 재사용하기 위해 물과 혼합된 MC 용재를 다시 물과 분리하는 과정을 거쳐야 하고, 그 과정에서 많은 양의 MC 용재가 유실되어 MC 용재의 회수율이 낮게 되는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0998568호 (2010년 11월 30일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1077914호 (2011년 10월 24일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1561971호 (2015년 10월 14일 등록)
본 발명은 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 추출공정에서 리튬이차전지 분리막 필름의 기공에 잔류하는 MC 용재를 보다 낮은 건조온도로 간편하게 제거할 수 있도록 하는 것에 의해 에너지 절감을 도모할 수 있도록 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치를 제공하는 데에 있는 것이다.
본 발명은 그 다른 목적이 국부적 고온 열풍에 의해 발생되는 용융수축으로 인한 주름발생을 원천적으로 방지하는 데에 있는 것이다.
본 발명은 그 다른 목적이 오일제거공정에서 리튬이차전지 분리막 필름의 표면에서 제거된 MC 용재의 회수율을 높여 생산성 향상을 도모할 수 있도록 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치를 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 MC 용재의 끓는 점 이하의 수준으로 필름 온도를 승온하고, 필름 기공에 위치한 MC 용재를 제거하는 예열부; 예열부에서 예열된 필름을 MC 용재의 끓는 점 이상의 온도로 가온하여 필름에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 건조부; 예열부 및 건조부에서 가열된 필름을 상온으로 냉각하는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에서 예열부는 예열챔버의 내부에 설치되는 다수의 예열롤을 사용하여 필름을 예열하고, 건조부는 예열챔버의 일측에 마련되는 건조챔버의 내부에 설치된 다수의 건조롤를 통해 필름을 가열하여 필름 기공의 MC 용재를 증발 제거하고, 냉각부는 건조챔버의 일측에 마련되는 냉각챔버의 내부에 설치된 다수의 냉각롤를 통해 필름을 냉각하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 예열챔버에 설치된 다수의 예열롤 중의 어느 하나 이상의 예열롤의 일측에 공기를 분사하는 에어나이프노즐이 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 상기 에어나이프노즐이 공기 분사압에 의한 필름 손상을 방지할 수 있도록 예열롤의 필름 접촉부위에 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 예열챔버의 상단 일측에 비산 MC 용재를 배출하기 위한 제1 배출구가 마련되고, 제1 배출구에 제1 배기팬이 설치되고, 건조챔버의 하단에 액상 및 가스 MC 용재가 배출되는 제2 배출구가 마련되고, 제2 배출구에 MC 용재를 응축하는 열교환기가 설치되고, 열교환기에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬이 설치되고, 냉각챔버의 상단 일측에 냉각과정에서 분리되는 MC 용재를 배출하기 위한 제3 배출구가 마련되고, 제3 배출구에 제3 배기팬이 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 건조롤이 좁은 나선 통로로 열매를 공급하여 열매의 사용 감소와 건조롤 표면 온도 균일화에 우수한 성능을 나타내는 자켓 롤(Jacket roll)의 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)이 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)이나 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)보다 낮게 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 예열챔버(110)의 내부압력(Pa) > 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc) > 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)과 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)은 대기압 이하로 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)은 대기압 이상으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 예열챔버에서의 MC 용재 제거는 에어나이프노즐의 공기 분사압 분사에 의해 액상의 MC 용재를 분리막으로부터 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 의하면, 리튬이차전지 분리막 필름 제조과정에서 오일을 제거하는 추출공정에서 사용되는 필름 기공에서 MC 용재를 간편하게 회수할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 의하면, 물을 사용하지 않아 물과 MC 용재를 분리하는 공정이 필요하지 않는 필름의 예열 및 건조, 냉각과정을 통해 MC 용재의 회수율을 높일 수 있게 되어 생산성 향상과 원가절감을 도모할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 의하면, 추출공정에서 리튬이차전지 분리막 필름의 표면에 잔류하는 MC 용재를 보다 낮은 건조온도로 간편하게 제거할 수 있도록 하는 것에 의해 에너지 절감을 도모할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 의하면, 낮은 공정온도에서 건조되므로 분리막 필름 표면에 국부적 고온 열풍에 의해 발생되는 용융수축으로 인한 주름발생을 원천적으로 방지하는 데에 있는 것이다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에 의하면, MC 용재의 회수과정에서 증발 MC 용재가 대기중으로 배출되는 것을 방지할 수 있게 되므로 대기오염을 방지할 수 있게 됨은 물론 작업환경을 크게 개선할 수 있게 된다.
도 1은 리튬이차전지 분리막 필름 제조 공정도,
도 2는 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 설치상태의 개략도,
도 3는 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 설치상태의 개략도,
도 4는 본 발명의 한 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 개략도,
도 5는 동 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 예열부의 구성도,
도 6은 동 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 건조부의 구성도,
도 7은 동 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 냉각부의 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 성능을 워터 샤워 시스템이 적용된 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치와 비교한 그래프.
이하 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.
또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.
그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 3는 본 발명의 한 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 설치상태의 개략도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 개략도이다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 예열부(A), 건조부(B), 냉각부(C)를 포함한다.
리튬이차전지 분리막 필름은 추출공정에서의 MC 용재가 함수되어 있는 조건에서 급격한 온도 변화는 필름의 손상 및 품질 저하의 원인이 된다. 이에 필름 온도 조절을 위해 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 크게 예열구간, 건조구간, 냉각 구간으로 나뉜 설계가 바람직하다.
예열부(A)는 MC 용재의 끓는 점 이하의 수준으로 필름 온도를 승온하고, 필름 기공에 묻어있는 액상의 MC 용재를 최대한 제거하는 부분이다.
예열부(A)는 예열챔버(110)의 내부에 설치되는 다수의 예열롤(111)을 사용하여 필름을 예열한다.
도 5는 동 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 예열부의 구성도이다.
도시된 실시 예는 예열챔버(110)의 내부 일측 하부에 제1 예열롤(111)이 설치되고, 예열챔버(110)의 내부 중앙에 제2 예열롤(111)이 설치되고, 예열챔버(110)의 내부 타측 상부에 제3 예열롤(111)이 설치된 형태이다.
예열부(A)를 통과하는 필름의 온도 편차에 의한 영향은 극히 낮으므로 온도의 균일분포는 배제되며, MC 용재의 끓는점 이하의 조건에서 예열이 가능하다.
예열부(A)의 각 예열롤(111)의 설정온도는 MC 용재의 끓는점 약 40℃를 감안하여 30~35℃가 적합하다.
예열챔버(110)의 하부 일측으로 진입한 필름은 제1 예열롤(111)과 제2 예열롤(111), 그리고 제3 예열롤(11)을 경유하는 동안에 예열되어 건조부(B)로 배출되고, 제2 예열롤(111)의 하부 및 제3 예열롤(111)의 상부의 에어나이프노즐(112)을 통해 분사되는 공기에 의해 필름 상하부 기공내 MC 용재가 제거된다.
예열챔버(110)의 제2 예열롤(111)의 하부에 설치된 에어나이프노즐(112)에서 분사되는 공기에 의해 필름의 하부 기공에 붙은 액상의 MC 용재를 제거하고, 제3 예열롤(111)의 상부에 설치된 에어나이프노즐(112)에서 분사되는 공기에 의해 필름의 상부 기공에 붙은 액상의 MC 용재를 제거하도록 공기를 분사하는 에어나이프노즐(112)이 설치된다.
예열챔버(110)에서는 주로 필름 기공에 붙어 있는 액상의 MC 용재와 기화된 가스상의 MC 용재를 제거하고, 이 때 에어나이프노즐(112)에서 분사되는 공기와 30~35℃ 범위의 예열롤(111)에 의해 가열 가열기화된 MC 용재가 제거된다.
예열챔버(110)에서는 기화된 MC 용재 기준으로는 약 1 ~ 5% 내외가 제거되고, 액상의 MC 용재 기준으로는 약 90 ~ 95% 내외가 제거된다.
상기 에어나이프노즐(112)은 공기 분사압에 의한 필름 손상을 방지할 수 있도록 예열롤(111)의 필름 접촉부위에 설치되는 것이 바람직하다.
예열챔버(110)의 상단 일측에는 비산된 가스상의 MC 용재를 배출하기 위한 제1 배출구(113)가 마련되고, 제1 배출구(113)에는 제1 배기팬(114)이 설치된다.
건조부(B)는 예열부(A)에서 예열된 필름을 MC 용재의 끓는 점 이상의 온도로 가온하여 필름에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 부분이다.
도 6은 동 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 건조부의 구성도이다.
건조부(B)는 예열챔버(110)의 일측에 마련되는 건조챔버(120)의 내부에 설치된 다수의 건조롤(121)를 통해 필름을 가열하여 필름 표면의 MC 용재를 증발 제거한다.
건조롤(121)의 표면온도는 MC 용재의 끓는점인 40℃보다 높은 온도의 열매 공급이 요구되며, 건조 성능 확보를 위한 건조 길이, 체류시간, 내부 온습도 제어가 중요한 설계 대상이다.
건조롤(121)의 표면온도는 MC 용재의 끓는점인 40℃보다 높은 온도인 40~60℃의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
건조롤(121)은 좁은 나선 통로로 열매를 공급하여 열매의 사용 감소와 건조롤 표면 온도 균일화에 우수한 성능을 나타내는 자켓 롤(Jacket roll)의 것이 바람직하다.
건조챔버(120) 내부에 좌우방향으로 배열 설치되는 건조롤(121)의 설치갯수는 열량분석을 통하여 건조 길이를 산정하고, 분석된 자료를 통하여 얻어진 갯수로 하는 것이 바람직하다.
건조 성능 향상을 위하여 건조챔버(120)의 내부 온습도 제어 시스템의 도입이 필요하며, 실시간 데이터 수집을 통해 건조챔버(120)의 내부 환경을 안정적으로 유지하도록 시스템을 구축하는 것이 바람직하다.
건조챔버(120)의 하단에는 예열챔버에서 제거되지 않고 필름 기공에 붙어있는 잔류의 액상 및 가스상의 MC 용재가 배출되는 제2 배출구(122)가 마련되고, 제2 배출구(122)에는 MC 용재를 응축하는 열교환기(123)가 설치되고, 열교환기(123)에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬(124)이 설치된다.
건조챔버(120)에서는 주로 건조롤(121)에 의한 가열에 의하여 기화된 MC 용재를 제거한다. 건조챔버에서 기화된 MC 용재 기준으로는 약 94.5 ~ 99.5% 내외가 제거된다. 액상의 MC 용재 기준으로는 약 5 ~ 10% 내외가 제거된다.
냉각부(C)는 예열부(A) 및 건조부(B)에서 예열롤(111) 및 건조롤(121)을 통해 가열된 필름을 상온으로 냉각하는 부분이다.
도 7은 동 실시 예에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 냉각부의 구성도이다.
냉각부(C)는 건조챔버(120)의 일측에 마련되는 냉각챔버(130)의 내부에 설치된 다수의 냉각롤(131)를 통해 필름을 냉각한다.
냉각부(C)는 예열부(A) 및 건조부(B)를 통과하는 동안 승온된 필름의 온도를 서랭시키는 부분으로 외기 온도와 동일한 온도로 냉각이 요구되며, 요구 냉각 온도를 고려한 설계가 요구된다.
도시된 실시 예는 필름이 총 7개의 냉각롤(131)를 사행으로 통과하는 형태이지만 냉각챔버(130)에 설치되는 냉각롤(131)의 갯수는 예측가능한 범위내에서 변형 실시될 수 있음은 물론이다.
냉각롤(131)의 표면온도는 외기 온도와 동일한 온도, 예를 들면 25℃로 설정하는 것이 바람직하다.
냉각챔버(130)의 상단 일측에는 냉각과정에서 가스상의 MC 용재를 배출하기 위한 제3 배출구(132)가 마련되고, 제3 배출구(132)에는 제3 배기팬(133)이 설치된다.
냉각챔버(130)에서 가스상의 MC 용재 기준으로는 약 0.5% 미만이 제거된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 리튬이차전지 분리막 필름 생산 공정 중의 분리막 필름 기공의 오일을 제거하는 추출공정에서 분리막 필름을 건조시키면서 필름의 기공에 잔류하는 MC 용재를 회수한다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)에서 분리막 필름은 예열부(A), 건조부(B), 냉각부(C)를 차례로 통과한 후 다음 공정인 제2연신공정 설비쪽으로 이송된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)에서 분리막 필름은 예열챔버(110)의 다수의 예열롤(111)을 통과하는 과정에서 MC 용재의 끓는점인 40℃ 이하의 온도로 예열되고, 건조챔버(120)의 다수의 건조롤(121)을 통과하는 과정에서 MC 용재의 끓는점인 40℃보다 높은 온도로 가열되고, 냉각챔버(130)의 다수의 냉각롤을 통과하는 과정에서 상온으로 냉각된다.
한편, 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)에서 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)은 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)이나 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)보다 작게 제어된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에서의 압력분포는 예열챔버(110)의 내부압력(Pa) > 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc) > 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)으로 제어된다.
이는 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)이 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)이나 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)보다 높게 되면 건조챔버(120)의 건조롤(121)을 통해 가열되어 증발되는 MC 용재가 예열챔버(110) 또는 냉각챔버(130)쪽으로 이동될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치는 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)과 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)은 대기압 이하로 제어되는 것이 바람직하다. 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)과 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)이 대기압보다 높으면 기화된 MC 용재가 대기중으로 배출될 수 있기 때문에 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)과 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)은 대기압 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
건조챔버(120)의 내부압력(Pb)은 0.8 ~ 0.85 bar 의 압력범위이고, 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)은 0.9 ~ 0.95 bar의 압력범위를 갖는다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치에서 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)은 대기압 이상으로 제어된다.
예열챔버(110)의 내부압력(Pa)을 대기압보다 낮게 제어하는 것이 바람직하지만, 필름표면에 붙어 있는 액상의 MC 용재를 제거하기 위하여 에어나이프노즐(112)에서 분사되는 공기로 인하여 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)을 대기압 이하로 제어하는 것은 에너지 소모량이 많게 되고, 대기압 이하로 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)을 제어하면 MC 용재의 기화되는 량이 증가하여 회수되는 MC 용재를 재처리하기 위한 필터부를 증가시켜야 하는 등 설비관리면에서 적합하지 않다.
예열챔버(110)의 내부압력(Pa)은 1.2bar 내외의 압력을 갖는댜.
이는 건조챔버(120)의 내부압력(Pb)이 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)이나 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)보다 높게 되면 건조챔버(120)의 건조롤(121)을 통해 가열되어 증발되는 MC 용재가 예열챔버(110) 또는 냉각챔버(130)쪽으로 이동되어 대기중으로 배출될 수 있게 되기 때문이다.
도 2에 도시된 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)는 건조과정에서 발생하는 유해가스인 MC 용재 가스의 기밀을 위하여 워터 샤워 시스템(Water shower system)이 적용되고, 건조시 MC 용재와 물의 건조를 위하여 열풍과 히팅롤이 동시 사용되는 방식이다.
또한, 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)는 물 건조를 위해서 건조온도를 120℃ 정도로 설정하여야 하므로 에너지 소비량이 많게 된다.
본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 MC 용재의 낮은 기화점(약 36℃)으로 인하여 낮은 온도에서도 건조가 가능하여 건조롤(121)의 표면온도를 40~60℃로 설정하여도 건조 조건을 만족할 수 있게 되므로 건조에 필요한 에너지를 크게 절감할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 MC 용재의 증발이 이루어지는 건조챔버(120)의 내부 압력을 낮게 설정하는 것에 의해 MC 용재의 외부 누출을 방지하면서 MC 용재를 안정적으로 회수할 수 있게 된다.
아래의 표 1은 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)의 성능을 워터 샤워 시스템이 적용된 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)와 비교한 것이고, 도 8은 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치의 성능을 워터 샤워 시스템이 적용된 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치와 비교한 그래프이다.
본 발명 종래 기술
건조대상 필름 + MC 용재 필름 + 물+ MC 용재
건조방식 히팅롤 열풍 + 히팅롤 물 건조를 위해 열풍필요
건조온도 60℃ 120℃
건조필요열량 98kWh 266kWh 운전속도 40m/min
건조폭 4m
건조대상질량 동일
입구 수분율 20%
출구 수분율 1%
표 1 및 도 8과 같이 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 워터 샤워 시스템이 적용된 종래 기술에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(200)에서 사용되는 에너지의 약 40% 에너지만으로 충분히 분리막 필름을 건조할 수 있게 되고, 빠른 운전속도로 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치(100)는 온실가스 배출량도 대폭 감소시킬 수 있게 되어 환경보호에도 기여할 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치
110 : 예열챔버
111 : 예열롤
120 : 건조챔버
121 : 건조롤
130 : 냉각챔버
131 : 냉각롤

Claims (7)

  1. MC 용재의 끓는 점 이하의 수준으로 필름 온도를 승온하고, 필름 기공에 묻어있는 MC 용재를 제거하는 예열부(A);
    예열부(A)에서 예열된 필름을 MC 용재의 끓는 점 이상의 온도로 가온하여 필름에 잔류하는 MC 용재를 증발 건조시키는 건조부(B);
    예열부(A) 및 건조부(B)에서 가열된 필름을 상온으로 냉각하는 냉각부(C);를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    예열부(A)는 예열챔버(110)의 내부에 설치되는 다수의 예열롤(111)을 사용하여 필름을 예열하고,
    건조부(B)는 예열챔버(110)의 일측에 마련되는 건조챔버(120)의 내부에 설치된 다수의 건조롤(121)를 통해 필름을 가열하여 필름 표면의 MC 용재를 증발 제거하고,
    냉각부(C)는 건조챔버(120)의 일측에 마련되는 냉각챔버(130)의 내부에 설치된 다수의 냉각롤(131)를 통해 필름을 냉각하는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    예열챔버(110)에 설치된 다수의 예열롤(111)중의 어느 하나 이상의 예열롤(111)의 일측에 공기를 분사하는 에어나이프노즐(112)이 설치된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어나이프노즐(112)은 공기 분사압에 의한 필름 손상을 방지할 수 있도록 예열롤(111)의 필름 접촉부위에 설치된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
  5. 제2항에 있어서,
    예열챔버(110)의 상단 일측에 비산 MC 용재를 배출하기 위한 제1 배출구(113)가 마련되고, 제1 배출구(113)에 제1 배기팬(114)이 설치되고,
    건조챔버(120)의 하단에 액상 및 가스상의 MC 용재가 배출되는 제2 배출구(122)가 마련되고, 제2 배출구(122)에 MC 용재를 응축하는 열교환기(123)가 설치되고, 열교환기(123)에 MC 용재를 회수하기 위한 제2 배기팬(124)이 설치되고,
    냉각챔버(130)의 상단 일측에 냉각과정에서 분리되는 MC 용재를 배출하기 위한 제3 배출구(132)가 마련되고, 제3 배출구(132)에 제3 배기팬(133)이 설치된 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
  6. 제2항에 있어서,
    건조롤(121)은 좁은 나선 통로로 열매를 공급하여 열매의 사용 감소와 건조롤 표면 온도 균일화에 우수한 성능을 나타내는 자켓 롤(Jacket roll)의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
  7. 제2항에 있어서,
    건조챔버(120)의 내부압력(Pb)은 예열챔버(110)의 내부압력(Pa)이나 냉각챔버(130)의 내부압력(Pc)보다 작게 제어되는 것을 특징으로 하는 리튬이차전지 분리막 필름 건조장치.
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