KR20220088188A - 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치 - Google Patents

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Abstract

이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 수직형 양극재 소성 장치는, 상부가 개방되며 하부면에 가스 흐름을 위한 관통형 슬릿이 제공되고 양극재가 적재되는 복수의 내화갑, 및 상부가 개방되며 수직 방향으로 복수로 적층되고 각 내화갑이 각각 수납되는 복수의 단위 소성로를 포함한다.

Description

이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치{VERTICAL TYPE APPARATUS FOR FIRING CATHODE MATERIAL OF SECONDARY BATTERY}
본 발명은 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치에 관한 것이다.
현재, 양극재의 소성 공정에서는 온도 정밀도와 내부가스 분위기 제어 성능을 바탕으로 다양한 운전조건의 다품종 소량생산에 적합한 Roller Hearth Kiln(이하 “RHK”라 함) 방식이 선호되고 있다.
이러한 RHK 방식을 이용한 양극 활물질들의 제조 공정은 원료 분말을 담은 내화갑(sagger)을 소성로에서 원재료의 특성에 따라 설정된 온도로 소성하게 된다.
리튬 이차 전지의 양극을 제조하는 소성 공정에서는 수증기, 이산화탄소 등이 발생되며, 특히, 이산화탄소의 경우 소성로 분위기 조절을 위해 사용되는 산소나 공기에 비해 분자량이 크기 때문에 외부로 방출되기 어렵다.
이와 같이, 내화갑 내에 남아 있는 이산화탄소는 강온 과정에서 양극 활물질 표면의 리튬 산화물과 화학 반응을 일으켜 탄산리튬을 생성시키는데, 이 잔류 탄산리튬은 양극 활물질 코팅 공정에서 슬러리의 분산성을 떨어뜨리거나 종국에 전지로 제작되었을 때 전지 용량감소의 원인되기도 한다.
따라서, 소성 공정에서 이산화탄소 배출을 원활하게 하여 잔류 탄산리튬량을 감소시키는 것은 최종 전지 특성을 향상시키는데 중요한 원인으로 작용하게 된다.
이와 같은 이유에서 리튬 이온 이차전지 양극재의 소성로에서는 소성 과정에서 발생하는 가스(CO2 또는 H2O)를 효과적으로 배출시키기 위해서 소성로의 하부 또는 상부 급기 이외에 측면 급기를 활용한다.
특히, 내화갑이 다단으로 적층된 상태로 소성로를 지나가는 경우 아랫단에서 발생한 이산화탄소(CO2) 가스가 충분히 배출되지 못하고 윗단과의 중간 부분에 정체되면서 이산화탄소 분압을 높이는 역할을 하게 되며, 이는 최종제품의 잔류 탄산리튬량을 증가시키는 결과를 초래한다.
이를 방지하기 위한 방법으로 소성로의 하부 또는 상부 급기 이외에 측면에서 내화갑의 사이 부분으로 공기를 급기하여 정체된 이산화탄소를 강제 배출 또는 확산시키는 방법이 사용되기도 한다.
그러나, 종래의 RHK에서는 소성로의 내부를 흐르는 유동이 내화갑 내부로 유입되어 양극재가 소성 과정에서 필요로 하는 반응가스(O2)를 공급하거나 소성 반응으로 생성된 가스(H2O 또는 CO2)를 외부로 배출하기보다는 내화갑 주변의 빈 공간으로 흘러가기 쉽다.
이는 내화갑을 이동시키기 위한 롤러뿐만 아니라 내화갑으로의 복사열 전달을 충분히 활용하기 위하여 소성로 내부의 상, 하부에 설치한 히터 구조에 의하여 필연적으로 생기게 되는 공간이다.
반면 소성로는 승온 구간과 냉각 구간에서 온도 제어를 위하여 일정 간격으로 격벽을 설치하여 존(zone)을 구별하는데, 이 경우에는 소성로의 내부 단면적보다 더 작은 단면적을 통과하게 되면서 상대적으로 내화값 측면 윈도우의 단면적의 비율이 커지게 되어 결과적으로 더 많은 유량이 내화갑 내부로 흘러 들어가면서 소성 반응을 촉진시키게 된다.
그러나, 실제로는 내화갑 내부의 가스 농도가 소성 반응에 중요하게 작용하는 온도유지 구간의 경우에는 보통 열효율을 위하여 격벽을 설치하지 않게 되고, 그로 인하여 급기 유량 대비 소성 반응에 기여하는 유량비율이 아주 낮아지게 되어 가스 공급량 및 그 가스를 데우기 위한 에너지 비용이 커지게 된다.
본 발명은 고적층 내화갑에서 발생하는 구조적인 안정성 문제와, 소성로 내부로 공급되는 가스 손실 문제를 해결할 수 있는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 내화갑 1개당 1개의 단위 소성로를 구성하고, 이 단위 소성로의 내부에 내화갑과 양극재를 포함한 채 수직 방향으로 복수로 적층한 후, 단위 소성로 자체가 상부에서 하부로(또는 하부에서 상부로) 이송하면서 승온-온도유지-냉각- 이동을 반복할 수 있는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치는, 양극재를 수직 방향으로 이동시켜 소성하는 것으로, 각각 상부가 개방되며 하부면에 가스 흐름을 위한 관통형 슬릿이 제공되고 내부에 양극재가 적재되는 복수의 내화갑을 포함할 수 있다.
수직형 양극재 소성 장치는, 각각 상부가 개방되며, 수직 방향으로 복수로 적층되고 각 내화갑이 각각 수납되며 가스 흐름과 반대 방향으로 이동하는 복수의 단위 소성로를 포함할 수 있다.
단위 소성로는, 내화재로 이루어지고 하부면에 가스 흐름을 위한 개구부가 제동되며 각 내화갑이 수납되기 위한 수납 공간을 갖는 본체, 및 본체의 일면 또는 내부에 설치되고 내화갑을 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있다.
본체의 외측면에는 히터에서 발생한 열을 보온하기 위한 단열재가 설치될 수 있다.
단열재의 외측면에는 단열재의 외측면을 덮어주기 위한 케이스가 설치될 수 있다.
케이스의 외측면에는 본체와 단열재를 지지하기 위한 지지 구조물이 설치될 수 있다.
케이스의 상단면에는 단위 소성로와 이웃하는 다른 단위 소성로 사이의 가스 누출 방지를 위한 밀봉재가 설치될 수 있다.
본체에는 본체의 내부 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 온도센서에서 측정한 측정값을 외부로 전송하기 위한 전송장치가 설치될 수 있다.
단위 소성로의 외측에는 복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로의 상단부에 위치하는 단위 소성로를 지지하기 위한 하부 스토퍼 구조물이 설치될 수 있다.
복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로의 하부에는 복수의 단위 소성로의 전체 하부를 지지하기 위한 하부 지지 구조물이 설치될 수 있다.
복수의 단위 소성로 중 최상단 단위 소성로의 상부에는 배출가스를 포집하여 외부로 배출하기 위한 가스 배기 구조물이 설치될 수 있다.
복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로의 하부에는 가스를 공급하기 위한 가스 급기 구조물이 설치될 수 있다.
복수의 단위 소성로 중 최상단 단위 소성로에 수납된 내화갑에 소성할 양극재를 투입하고,
복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로에 수납된 내화갑으로부터 소성 후의 양극재를 배출할 수 있다.
복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로 내부의 내화갑에 적재된 소성 후의 양극재를 채취하고, 새로 소성할 양극재를 장입하기 위한 양극재 채취 및 장입 장치를 포함할 수 있다.
본체의 바닥면에는 내화갑이 수납되어 얹혀 질 수 있는 걸림턱이 구비될 수 있다.
본체의 상단부에 걸림홈이 배치되고, 내화갑의 상단부에 외측에는 걸림홈에 걸리기 위한 걸림돌기가 배치될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 수직 방향으로 양극재를 투입 및 배출하고, 양극재 이동 방향과 반대방향으로 가스를 급기함으로써, 소성에 필요한 온도 프로파일과 가스 분위기 형성을 보다 효율적으로 형성할 수 있다.
이에 따라, 동일 양극재 소성량 대비 가스 사용량을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 소성 반응을 보다 효과적으로 진행할 수 있으므로, RHK의 생산량 증가 한계(온도, 급배기)를 극복하고 혁신적인 소성 생산성 향상을 통한 가격 경쟁력 확보(잔류리튬 제어를 포함한 품질 확보 전제)의 효과를 거둘 수 있다.
특히, 내화갑 내부의 양극재에 충분한 가스를 공급하여 소성 반응을 진행시키고 소성 반응 과정에서 발생하는 반응가스를 충분히 배출시켜서 소성 반응을 원활하게 진행할 수 있다.
본 발명의 수직형 소성로의 경우에는 내화갑 바닥면의 슬릿을 통과하여 내화갑 내부로 유입된 가스 대부분이 양극재 주위를 지나면서 소성 반응에 참여하게 되고 양극재에서 생성되는 반응가스도 충분히 배출시켜줄 수 있으므로, 내화갑 윈도우가 필요 없게 되고, 결국 RHK 대비 훨씬 많은 양극재를 장입할 수 있어 생산량을 늘리는데 효과적이다.
본 발명의 수직형 소성로의 경우에는 내화갑을 둘러싼 단위 소성로 내부의 히터에서 내화갑과 양극재를 직접 가열하게 되므로, 불필요한 내화재와 단열재를 줄임으로써 전력비를 감축시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 수직형 소성로에 공급되는 가스량도 절감되므로 이를 가열하기 위한 전력비 또한 줄어들어 전체적인 전력비 절감에 기여하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 당위 소성로의 개략적인 일부 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로의 개략적인 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로의 적층 구조를 도시한 개략적인 일부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로의 내부 가스 통과 상태를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 개략적인 단면도로서, (a)는 운전 상태이며, (b)는 하부 지지 구조물 이동 상태이며, (c)는 양극재 채취 및 장입 상태이며, (d)는 상부 가스 배기 구조물 및 하부 구조물 이동 상태이며, (e)는 운전 상태로의 복귀 상태이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로와 내화갑의 고정 형태를 나타낸 것으로, (a)는 단위 소성로에 걸림턱을 설치한 경우이며, (b)는 단위 소성로에 걸림홈을 배치하고 내화갑에 걸림돌기를 배치한 경우이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 당위 소성로의 개략적인 일부 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로의 개략적인 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로의 적층 구조를 도시한 개략적인 일부 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 단위 소성로의 내부 가스 통과 상태를 설명하기 위한 개략적인 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 작동 과정을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치는, 이차 전지의 양극재(20)를 수직 방향으로 이동시켜 소성하는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치에 있어서, 양극재(20)가 적재되는 내화갑(10) 1개당 하나의 단위 소성로(100)를 구성한다.
그리고, 단위 소성로(100)의 내부에 내화갑(10)과 양극재(20)를 수납한 상태로 복수로 수직 방향으로 적층한 후, 각 단위 소성로(10) 자체가 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 이동하면서 승온-온도 유지-냉각-이동 과정을 반복하여 양극재(20)를 소성할 수 있다.
단위 소성로(100)는 상부 투입되면서 하부로 이동하여 하부로 배출되거나, 하부 투입되면서 상부로 이동하여 상부로 배출될 수 있다.
이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치는, 복수의 내화갑(10) 및 복수의 단위 소성로(100)를 포함할 수 있다.
복수의 내화갑(10)은 각각 상부가 개방되며 하부면에 가스 흐름을 위한 관통형 슬릿(11)이 제공되고, 내부에 양극재(20)가 적재될 수 있다.
또한, 복수의 단위 소성로(100)는 각각 상부가 개방되며 수직 방향(도 3의 Y 방향)으로 복수로 적층되고, 각 내화갑(10)이 각각 수납되며 가스 흐름과 반대 방향으로 이동할 수 있다.
단위 소성로(100)는, 내화재 등으로 이루어지며, 하부면 중앙부에 가스 흐름을 위한 개구부(101)가 제동되며 각 내화갑(10)이 수납되기 위한 수납 공간을 갖는 본체(110), 및 본체(110)의 표면 또는 내부에 설치되며 내화갑(10) 주변으로 열량을 공급할 수 있도록 내화갑(10)을 설정 온도로 가열하기 위한 히터(120)를 포함할 수 있다.
본체(110)의 수납 공간에 내화갑(10)이 수납되어 고정되는 형태는, 도 6(a)와 같이 본체(110)의 개구부(101)의 외측으로 배치되어 내화갑(10)이 본체에 수납되어 얹혀 질 수 있는 걸림턱(111)을 구비할 수 있다.
또한, 도 6(b)와 같이 본체(110)의 상단부에 걸림홈(113)을 구비하고, 내화갑(10)의 상단부에 외측으로 연장되어 걸림홈(113)에 걸리기 위한 걸림돌기(13)를 구비할 수 있다.
이러한 본체(110)와 내화갑(10)의 수납 고정 형태에 따라 자체 중량에 따른 밀봉 위치가 달라지게 될 수 있다.
히터(120)는 도 2 및 도 3에서는 본체(110)의 내부에 내장된 것으로 도시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 본체(110)의 일측면에 설치될 수 있음은 물론이다.
단위 소성로(100)는, 본체(110)의 외측면에 설치되고, 히터(120)에서 발생한 열을 보온하기 위한 단열재(130)를 포함할 수 잇다.
또한, 단위 소성로(100)는, 단열재(130)의 외측면에 설치되고, 단열재(130)의 외측면을 감싸면서 덮어주기 위한 케이스(140)를 포함할 수 있다.
이때, 케이스(140)의 단열재(130)의 상면부, 하면부, 및 외측면을 감싸도록 ㄷ자 형태 등으로 이루어질 수 있다.
케이스(140)의 외측면에는 본체(110), 및 단열재(130)를 지지하기 위한 지지 구조물(미도시)이 케이스(140)의 외측 방향으로 돌출되게 설치될 수 있다.
또한, 케이스(140)의 상단면에는 일 단위 소성로(100)와 이웃하는 다른 단위 소성로(100) 사이의 가스 누출 방지를 위한 밀봉재(160)가 설치될 수 있다.
본체(110)의 내부에는 히터(120)의 전력 제어를 위한 전력 제어가(미도시)가 내장될 수 있다.
본체(110)에는 본체(110)의 내부 온도를 측정하기 위한 온도센서(미도시)와, 이 온도센서에서 측정한 측정값을 외부로 전송하기 위한 전송장치(미도시)가 설치될 수 있다.
단위 소성로(100)의 외측에는 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)의 상단부에 위치하는 단위 소성로(100)를 지지하기 위한 하부 스토퍼 구조물(200)이 설치될 수 있다.
또한, 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)의 하부에는 정상 운전 시 수직형 양극재 소성 장치의 복수의 단위 소성로(100) 전체를 지지하기 위한 하부 지지 구조물(300)이 설치될 수 있다.
즉, 하부 지지 구조물(300)에는 총 적층되는 단수만큼의 단위 소성로(100)의 무게를 지탱하면서 단위 소성로(100) 상부 투입 및 하부 배출에 따라 설정된 높이만큼 상하 이동할 수 있는 하부 구동부(미도시)가 설치될 수 있다.
하부 지지 구조물(300)의 상단부과 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소정로(100)의 하단부의 사이에는 가스 누출 방지를 위한 하부 밀봉재(161)가 설치될 수 있다.
복수의 단위 소성로(100) 중 최상단 단위 소성로(100)의 상부에는 최상단 단위 소성로(100)의 상부로 배출되는 배출가스를 포집하여 외부로 배출하기 위한 상부 가스 배기 구조물(400)이 설치될 수 있다.
또한, 상부 가스 배기 구조물(400)에는 복수의 단위 소성로(100) 중 최상단 단위 소성로(100)의 상부로부터 최상단 단위 소성로(100) 위에 새로운 단위 소성로(100)를 투입하는 동안 상부 가스 배기 구조물(400)을 오픈하기 위한 상부 구동부(미도시)가 구비될 수 있다.
복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)의 하부에는 최하단 단위 소성로(100)에 가스를 공급하기 위한 하부 가스 급기 구조물(500)이 설치될 수 있다.
또한, 하부 가스 급기 구조물(500)은 하부 지지 구조물(300)과 일체형으로 구성될 수 있다.
즉, 하부 가스 급기 구조물은 하부 지지 구조물(300)의 일측면에 하부 지지 구조물(300)과 연통되게 연결될 수 있다.
하부 스토퍼 구조물(200)은 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)를 하부로 배출하는 동안 나머지 단위 소성로(100)들을 지지하기 위한 구조물로, 최하단 단위 소성로(100)의 하부에 설치된 하부 지지 구조물(300)과 연동되도록 설치될 수 있다.
수직형 양극재 소성 장치는, 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)를 하부로 배출해서 상부로 이송하고, 복수의 단위 소성로(100) 중 최상단 단위 소성로(100) 위에 단위 소성로(100)를 투입하기 위한 단위 소성로 이송용 구조물(미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 수직형 양극재 소성 장치는, 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100) 내부의 내화갑(10)에 적재된 소성 후의 양극재(20)를 채취하고, 새로 소성할 양극재(20)를 장입하기 위한 양극재 채취 및 장입 장치(600)를 포함할 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 작동에 대해서 설명한다.
먼저, 단위 소성로(100)는 복수로 구비되고, 수직 방향(도 3의 Y 방향)으로 다단으로 적층되며, 각 단위 소성로(100)의 내부에는 양극재(20)가 적재된 내화갑(10)이 수납된다.
또한, 단위 소성로(100)는 상부 투입되면서 하부로 이동하여 하부 배출되거나 하부 투입되어 위로 이동하면서 상부로 배출될 수 있다.
여기에서는 설명의 편의상 단위 소성로(100)가 상부 투입되면서 하부로 이동하여 하부 배출되는 경우를 예로 들어 설명하기로 하지만, 단위 소성로(100)가 하부 투입되면서 상부로 이동하여 상부 배출되는 경우에도 동일한 방식(원리)으로 적용될 수 있음은 물론이다.
단위 소성로(100)가 상부 투입되면서 하부로 이동하여 하부 배출되는 경우라 함은, 양극재(20)가 수직형 양극재 소성 장치의 상부로 투입되고 하부로 배출되며, 단위 소성로(100)의 가스 분위기 형성을 위하여 가스는 수직형 양극재 소성 장치의 하부로 급기되고 상부로 배출되는 것을 가리킨다.
또한, 복수의 단위 소성로(100) 중 최상단 단위 소성로(100)에서는 승온 구간이며, 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)에서는 냉각 구간이며, 최상단 단위 소성로(100)와 최하단 단위 소성로(100) 사이의 단위 소성로(100)에서는 온도 유지 구간으로 구분될 수 있다.
단위 소성로(100)가 상부 투입되면서 하부로 이동하여 하부 배출되는 동안, 설정된 온도 프로파일에 따라 단위 소성로(100)의 내부에 설치된 히터(120)를 통해 온도를 맞추면서 내화갑(10)에 장입된 양극재(20)가 설정된 온도 프로파일로 소성반응을 진행하도록 한다.
그리고, 단위 소성로(100)의 온도 제어에 대하여 하기에서 설명하기로 한다.
단위 소성로(100)의 수직 방향 위치에 따라 온도 프로파일로부터 설정 온도가 결정되면 단위 소성로(10)의 내부[정확하게는 내화갑(10) 주변을 둘러싼 본체(110)의 내화재 내부 또는 표면]에 장착된 히터(120)를 가열하여 설정 온도에 도달하기 위해 필요한 열량을 공급한다.
설정 온도의 도달여부는 단위 소성로(100)의 내부에 설치된 온도센서(미도시)를 통해 감지한다.
이때, 히터(120)의 전력은 단위 소성로(100)의 외부로부터 공급되는데 수직형 양극재 소성 장치 측면에 수직으로 위치한 전력공급용 부스바(미도시)로부터 단위 소성로(100)의 본체(110)의 측면에 설치된 집전기(미도시)를 통해 접촉식 또는 비접촉식 방식으로 공급할 수 있다.
온도센서를 통해 감지된 단위 소성로(100)의 내부 온도는 무선 또는 유선을 통해 모니터링 하면서 히터(120)의 작동 여부 및 그에 따른 소요 전력량을 계산하여 단위 소성로(100)를 제어한다.
수직형 양극재 소성 장치 전체 규모, 그리고 그에 따른 단위 소성로(100)의 크기에 따라 히터(120)의 제어기를 단위 소성로(100)의 본체(110) 내부에 설치하고 단위 소성로(100)의 외부로부터의 전력량을 제어하거나, 히터(120)의 제어기를 단위 소성로(100)의 외부에 설치하여 히터(120)가 필요한 전력만큼을 공급하는 방법 모두 사용이 가능하다.
또한, 단위 소성로(100)의 유동 제어에 대하여 하기에서 설명하기로 한다.
수직형 양극재 소성 장치에 공급되는 가스(공기 또는 산소 또는 양극재 종류에 따라 결정되는 다른 가스들)는 기본적으로 최하단 단위 소성로(100)의 아래쪽의 하부 가스 급기 구조물(500)을 통해 최하단 단위 소성로(100)의 내화갑(10)의 바닥면의 슬릿(11)을 통해 공급된다
내화갑(10)의 내부로 공급된 가스는 내화갑(10)의 내부에 장입된 양극재(20) 주변을 지나면서 양극재(20) 소성 반응에 필요한 가스(산소)를 공급하고, 반응 과정에서 발생한 배출가스를 위쪽으로 몰아냄으로써 소성 반응이 원할하게 진행되도록 한다.
내화갑(10)의 내부를 통과한 가스는 내화갑(10)을 수납한 단위 소성로(100)의 바로 상부에 위치한 단위 소성로(10)의 하부와, 단위 소성로(100)에 수납된 내화갑(10)의 슬릿(11)을 통과하여 연속적으로 상부로 차례차례 이동하면서 수직으로 적층된 양극재(20)들의 반응에 필요한 가스를 공급하고, 반응에서 발생한 가스를 상부로 배출시키는 역할을 수행한다.
상하로 적층된 단위 소성로(100)간의 밀봉은 단위 소성로(10)이 상부 표면의 외곽에 설치된 밀봉재(160)가 밀봉재(160)의 상단부에 위치한 단위 소성로(100), 내화갑(10), 및 양극재(20)의 자중에 의해 눌려지면서 밀봉 역할을 하게 된다.
종래의 일체형 수직형 소성로가 내화갑과 내부벽의 공간과 스토퍼(stopper)의 삽입을 위한 내화갑 윈도우 등으로 유동 손실이 발생하는 것이 비하여, 본 발명에 따른 단위 소성로(100)를 이용한 경우에는 내화갑(10)과 양극재(20)의 자체 중량에 의해 단위 소성로(100)와 밀착하게 되면서 기본적인 유동 차단 기능을 하게 된다.
따라서, 가스 유동이 대부분 내화갑(10)의 바닥면의 슬릿(11)을 통해 내화갑(10)의 내부, 즉, 내화갑(10)에 장입된 양극재(20) 주위를 통과하게 되면서, 양극재(20)의 소성 반응을 원활하게 진행시키게 된다.
이하에서, 도 5를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치의 작동 과정을 설명하기로 한다.
도 5(a)의 수직형 양극재 소성 장치의 운전 상태(정지 상태)에서는 상부 가스 배기 구조물(40)이 복수의 단위 소성로(100)의 최상단 단위 소성로(100)의 상부를 덮고 있으며, 복수의 단위 소성로(100)의 최하단 단위 소성로(100)의 하단부에는 하부 지지 구조물(300)이 밀착되어 있다.
이때, 최하단 단위 소성로(100)에 수납된 내화갑(10)의 바닥면의 슬릿(11)에는 하부 가스 급기 구조물(500)로부터 가스가 공급되고, 최상단 단위 소성로(100)에서 배출된 가스는 상부 가스 배기 구조물(400)을 통하여 단위 소성로(100)의 외부로 배출된다.
그리고, 최하단 단위 소성로(100) 내화갑(10) 내의 소성 후의 양극재를 채취하고 새로이 소성 전의 양극재를 장입하기 위하여는, 도 5(b)와 같이 하부 스토퍼 구조물(200)을 이용하여 최하단 단위 소성로(100)의 직상부에 위치한 단위 소성로(100)를 지지한다.
이러한 상태에서, 최하단 단위 소성로(100)를 지지하고 있는 하부 지지 구조물(300)이 화살표와 같이 하부로 설정된 거리만큼 이동하게 된다.
그 다음, 도 5(c)와 같이, 하부 지지 구조물(300)에 의하여 지지된 최하단 단위 소성로(100)를 하부 푸셔(미도시)에 의하여 하부 우측 화살표와 같이 우측 방향(도 5의 X 방향)으로 밀어준 후, 최하단 단위 소성로(100)에 수납된 내화갑(10) 내의 소성 후의 양극재(20)를 채취한다.
이때, 상부 가스 배기 구조물(400)은 소성할 양극재(20)를 장입한 단위 소성로(100)의 투입을 위하여 상부로 이동되어 있다.
그리고, 내화갑(10) 내의 소성 후의 양극재(20)를 채취한 후, 내화갑(10) 내에 소성할 양극재(20)를 장입한다.
이와 같이, 내화갑(10) 내에 소성할 양극재(20)를 장입하면, 이동 장치(미도시)를 이용하여 소성할 양극재(20)가 장입된 단위 소성로(100)를 도 5(c)의 수직 상방향 화살표와 같이 단위 소성로(100)를 복수의 단위 소성로(100)의 최상단 우측으로 이동시킨다.
또한, 소성할 양극재(20)가 장입된 단위 소성로(100)를 상부 푸셔(미도시)에 의하여 상부 좌측 화살표와 같이 좌측 방향(도 5의 -X 방향)으로 밀어 도 5(d)와 같이 복수의 단위 소성로(100) 중 최상단 단위 소성로(100)로 위치시킨다.
이와 같이, 소성할 양극재(20)가 장입된 단위 소성로(100)가 복수의 단위 소성로(100) 중 최상단에 위치하게 되면, 양극재(20) 채취 이전의 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(10)의 상단부에 위치한 단위 소성로(100)가 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)가 된다.
이와 아울러, 소성할 양극재(20)가 장입된 단위 소성로(100)가 복수의 단위 소성로(100) 중 최상단 단위 소성로(100)로 위치되면, 상부 가스 배기 구조물(400)이 최상단 단위 소성로(100)의 상단부로 하부로 이동된다.
또한, 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)의 하단부로 하부 지지 구조물(300)이 상부로 이동시켜, 하부 지지 구조물(300)을 도 5(d)와 같이 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)의 하단부에 밀착시킨다.
이러한 상태에서, 도 5(e)와 같이, 복수의 단위 소성로(100) 중 최하단 단위 소성로(100)에 위치한 하부 스토퍼 구조물(200)을 원래의 위치로 이동시키면, 복수의 단위 소성로(100) 전체가 하부 지지 구조물(300)에 의하여 지지된다.
이때, 하부 지지 구조물(300)을 원래의 위치로 하부로 이동시키면, 복수의 단위 소성로(100) 전체가 하부로 이동되어 원래의 운전 상태로 복귀되는 것이다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 내화갑
20: 양극재
100: 단위 소성로
110: 본체
120: 히터
130: 단열재
200: 하부 스토퍼 구조물
300: 하부 지지 구조물
400: 상부 가스 배기 구조물
500: 하부 가스 급기 구조물

Claims (15)

  1. 양극재를 수직 방향으로 이동시켜 소성하는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치에 있어서,
    각각 상부가 개방되며, 하부면에 가스 흐름을 위한 관통형 슬릿이 제공되고 내부에 양극재가 적재되는 복수의 내화갑, 및
    각각 상부가 개방되며, 수직 방향으로 복수로 적층되고 상기 각 내화갑이 각각 수납되며 상기 가스 흐름과 반대 방향으로 이동하는 복수의 단위 소성로
    를 포함하는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 소성로는,
    내화재로 이루어지고, 하부면에 가스 흐름을 위한 개구부가 제공되며 상기 각 내화갑이 수납되기 위한 수납 공간을 갖는 본체, 및
    상기 본체의 일면 또는 내부에 설치되고, 상기 내화갑을 가열하기 위한 히터를 포함하는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 본체의 외측면에는 상기 히터에서 발생한 열을 보온하기 위한 단열재가 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단열재의 외측면에는 상기 단열재의 외측면을 덮어주기 위한 케이스가 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 케이스의 외측면에는 상기 본체와 상기 단열재를 지지하기 위한 지지 구조물이 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 케이스의 상단면에는 상기 단위 소성로와 이웃하는 다른 단위 소성로 사이의 가스 누출 방지를 위한 밀봉재가 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본체에는 상기 본체의 내부 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 상기 온도센서에서 측정한 측정값을 외부로 전송하기 위한 전송장치가 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 소성로의 외측에는 상기 복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로의 상단부에 위치하는 상기 단위 소성로를 지지하기 위한 하부 스토퍼 구조물이 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로의 하부에는 복수의 단위 소성로의 전체 하부를 지지하기 위한 하부 지지 구조물이 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 단위 소성로 중 최상단 단위 소성로의 상부에는 배출가스를 포집하여 외부로 배출하기 위한 가스 배기 구조물이 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로의 하부에는 가스를 공급하기 위한 가스 급기 구조물이 설치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 단위 소성로 중 최상단 단위 소성로에 수납된 상기 내화갑에 소성할 양극재를 투입하고,
    상기 복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로에 수납된 상기 내화갑으로부터 소정 후의 상기 양극재를 배출하는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 단위 소성로 중 최하단 단위 소성로 내부의 내화갑에 적재된 소성 후의 상기 양극재를 채취하고, 새로 소성할 양극재를 장입하기 위한 양극재 채취 및 장입 장치를 포함하는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 바닥면에는 상기 내화갑이 수납되어 얹혀 질 수 있는 걸림턱이 구비되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 상단부에 걸림홈이 배치되고,
    상기 내화갑의 상단부에 외측에는 상기 걸림홈에 걸리기 위한 걸림돌기가 배치되는 이차 전지의 수직형 양극재 소성 장치.
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