KR20220159228A - Apparatus comprising multi reactors for cathode active material precursor preparing of lithium ion secondary battery, and cathode active material precursor of lithium ion secondary battery prepared from it - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복수의 반응기를 포함하는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치, 및 이로부터 제조된 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체에 관한 것으로서, 상세하게는 복수의 반응기를 단차를 가지도록 배치하거나 또는 압력차를 이용하여 여러 개 배치하는 것으로 구성된 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치, 및 이로부터 제조된 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery including a plurality of reactors, and a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery prepared therefrom. It relates to an apparatus for manufacturing a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery, which consists of several arrangements using a pressure difference, and a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery manufactured therefrom.
리튬 이온 이차전지의 핵심 구성 요소는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질이다. 이 중 비율이 가장 높고 중요한 소재는 양극재이다. 이러한 양극재는 주로 니켈(Ni)-코발트(Co)-망간(Mn)을 주성분으로 포함하는 NCM 3성분계가 가장 주목받고 있다. 이는 Ni의 고용량, Co의 우수한 전기화학성능, Mn의 안정성의 장점을 가지기 때문이다. The key components of a lithium ion secondary battery are cathode materials, anode materials, separators, and electrolytes. Among them, the material with the highest ratio and the most important is the cathode material. As for the positive electrode material, the NCM three-component system mainly containing nickel (Ni)-cobalt (Co)-manganese (Mn) as main components is attracting the most attention. This is because it has the advantages of high capacity of Ni, excellent electrochemical performance of Co, and stability of Mn.
이러한 양극재를 제조하기 위해서는 전구체의 합성이 먼저 이루어져야 하는데, 일반적인 합성 방법은 금속 수용액과 킬레이팅제, 침전제를 이용한 공침법이다. 또한, 상기 공침법을 이용하여 코어(Core)에 고용량 특성을 가진 Ni과 Co로 구성하고, 쉘(Shell)에 안정성을 가지는 물질인 Mn을 추가하여 코어-쉘(Core-Shell) 구조를 가지는 전구체를 합성한다. 이러한 코어-쉘 구조를 가지는 양극활물질 전구체의 장점은 쉘층이 있기 때문에 안정성이 우수한 것으로 알려져 있다. In order to manufacture such a cathode material, the synthesis of a precursor must be performed first, and a common synthesis method is a coprecipitation method using an aqueous metal solution, a chelating agent, and a precipitating agent. In addition, by using the co-precipitation method, a precursor having a core-shell structure is composed of Ni and Co having high capacity in the core and Mn, a material having stability, is added to the shell. synthesize It is known that the positive electrode active material precursor having such a core-shell structure has excellent stability because it has a shell layer.
하지만 통상 코어와 쉘의 조성은 서로 상이하며, 그 조성에 급격한 변화가 있을 경우에는 이러한 조성적 차이로 인해 쉘층의 안정성이 떨어지는 또 다른 문제가 발생할 수 있다.However, the composition of the core and the shell are usually different from each other, and when there is a rapid change in the composition, another problem may occur in which the stability of the shell layer is lowered due to this compositional difference.
통상 코어-쉘 구조를 가지는 양극활물질 전구체의 제조는 회분식 반응기(batch reactor)를 이용하여 합성하고 있는데, 이 경우 코어층과 쉘층의 합성 단계를 진행할 때마다 합성을 멈추어야 하는 문제가 있으며, 기기 및 장비가 복잡하다는 단점이 있다. 따라서 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)를 이용하여 이러한 단점을 해결하려는 노력들이 있었다.In general, the production of a cathode active material precursor having a core-shell structure is synthesized using a batch reactor. In this case, there is a problem in that the synthesis must be stopped every time the synthesis step of the core layer and the shell layer is performed, and equipment and equipment The downside is that it is complex. Therefore, efforts have been made to solve these disadvantages by using a continuous stirred tank reactor (CSTR).
예를 들어, 한국등록특허 10-2008875에서는 제1 공급조와 제2 공급조의 재료를 혼합기에서 미리 혼합하여 반응기에 투입하는 방식의 농도 구배 전구체 제조장치(도 1 참조)를 사용하여 농도 구배 전구체를 제조하는 방법에서, 조성비가 서로 다른 금속 용액을 저장하는 두 개의 공급조(Q1, Q2), 이들 두 개의 공급조(Q1, Q2)로부터 투입되는 조성비가 다른 금속 용액을 혼합하는 복수의 혼합기(Q3) 그리고 복수의 혼합기(Q3)에 1:1 대응으로 연결되어 있고, 혼합기(Q3)로부터 혼합된 금속 용액을 공급받는 복수의 반응기(A, B, C, D)를 포함하는 농도 구배 전구체 제조장치를 제시하였다.For example, in Korean Patent Registration No. 10-2008875, a concentration gradient precursor is prepared using a concentration gradient precursor manufacturing apparatus (see FIG. 1) in which the materials of the first supply tank and the second supply tank are mixed in advance in a mixer and then introduced into the reactor. In the method, two supply tanks (Q1, Q2) for storing metal solutions with different composition ratios, a plurality of mixers (Q3) for mixing metal solutions with different composition ratios input from these two supply tanks (Q1, Q2) And a concentration gradient precursor manufacturing apparatus including a plurality of reactors (A, B, C, D) connected to a plurality of mixers (Q3) in a 1: 1 correspondence and receiving a mixed metal solution from the mixer (Q3). presented.
상기 특허에서는 복수의 반응기(A, B, C, D)를 포함하고 있으나, 조성비가 다른 금속 용액을 공급하는 별도의 공급조(Q1, Q2), 및 이들을 혼합하는 복수의 혼합기(Q3, Q4)를 별도로 포함해야 하므로 제조장치가 복잡하고 이로 인해 공정효율이 떨어지는 단점이 있다.Although the above patent includes a plurality of reactors (A, B, C, D), separate supply tanks (Q1, Q2) for supplying metal solutions with different composition ratios, and a plurality of mixers (Q3, Q4) for mixing them Since it must be included separately, the manufacturing apparatus is complicated, and this has a disadvantage in that the process efficiency is lowered.
또한, 한국공개특허 2020-0063406에서는 상부가 탈부착을 통해 개폐되는 본체(10), 본체(10)의 내부에 복수로 구성되되 일렬 배치되며, 내부에 반응액(30)이 수용 및 상대전극(52)이 설치되며, 측부에 기준전극(51)이 접합되는 반응챔버(100), 반응액(30)에 담지되기 위한 팔라듐시트(20), 팔라듐시트(20)가 안치되며, 반응액(30)에 담지되도록 안치된 팔라듐시트(20)를 이동시키는 이동부재(200), 이동부재(200)의 이동경로를 제공하는 이동경로부재(300), 이동부재(200)에 동력을 전달하는 동력전달부재, 전극(51, 52)에 전압을 인가하는 전원(60) 및 반응액(30)에 구리 전구체 함유 용액(71) 또는 백금 전구체 함유 용액(72)을 주입하는 용액주입부재(70)를 포함하여 구성된 연속 반응기 타입의 코어-쉘 촉매 전극 제조장치(도 2 참조)를 제시하였다.In addition, in Korean Patent Publication No. 2020-0063406, the
상기 특허에서는 반응액(30)을 제1, 2, 3 반응챔버(110, 120, 130)에 각각 수용되도록 하는 것으로, 제1 반응챔버(110)의 반응액(30)은 팔라듐시트(20)를 환원 및 구리로 코팅하기 위한 용액이며, 제2 반응챔버(120)의 반응액(30)은 구리로 코팅된 팔라듐시트(20)에 백금을 코팅하기 위한 용액이며, 제3 반응챔버(130)의 반응액(30)은 백금으로 코팅된 팔라듐시트(20)를 세척하기 위한 용액(예: 물)을 제시하였다. In the above patent, the
그러나 상기 선행 특허들을 포함하여 연속반응기를 이용한 제조장치와 관련된 지금까지 공지된 기술들에서는 여전히 그 장치와 공정이 매우 복잡하게 되어 있어 코어-쉘 구조를 가지는 양극 활물질 전구체의 구조를 유지할 수 있는 안정성이 떨어지는 문제들이 있다. However, in the technologies known so far related to manufacturing devices using continuous reactors, including the prior patents, the devices and processes are still very complicated, so that the stability to maintain the structure of the cathode active material precursor having a core-shell structure is poor. There are falling problems.
따라서, 전기차의 개발과 맞물려 양극활물질의 중요성이 어느 때보다 높아지고 있으며, 그 수요가 급증하고 있는 시대의 요구에 부응할 수 있는 양극활물질 전구체를 안정적으로 제조할 수 있는 새로운 구조의 제조장치의 개발이 시급한 실정이다.Therefore, in line with the development of electric vehicles, the importance of cathode active materials is increasing more than ever, and the development of a manufacturing device with a new structure that can stably manufacture cathode active material precursors that can meet the needs of an era in which demand is rapidly increasing is essential. It is an urgent situation.
이에 본 발명에서는 복수의 반응기를 이용하되, 인접하는 반응기 간에 일정한 높이의 단차를 두고 배치함으로써 코어층과 쉘층의 조성 변경에 따른 코어-쉘 구조를 가지는 전구체의 구조 안정성을 확보할 수 있는 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 제조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.Therefore, in the present invention, a plurality of reactors are used, but a lithium ion secondary capable of securing structural stability of a precursor having a core-shell structure according to a composition change of a core layer and a shell layer by arranging adjacent reactors with a level difference of a certain height. Its purpose is to provide a manufacturing apparatus for a battery cathode active material precursor.
또한, 본 발명에서는 복수의 반응기를 이용하되, 인접하는 반응기 간에 동일한 높이를 가지면서도 압력 차를 이용하여 생성물을 이동시킬 수 있는 구조로 배치함으로써 코어층과 쉘층의 조성 변경에 따른 코어-쉘 구조를 가지는 전구체의 구조 안정성을 확보할 수 있는 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 제조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.In addition, in the present invention, a plurality of reactors are used, but the core-shell structure according to the composition change of the core layer and the shell layer is obtained by arranging a structure in which products can be moved using a pressure difference while having the same height between adjacent reactors. An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a precursor of a cathode active material for a lithium ion secondary battery capable of ensuring structural stability of the precursor.
또한, 본 발명은 상기 특징을 가지는 제조장치를 이용하여 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체를 제공하는 데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a precursor of a cathode active material for a lithium ion secondary battery using a manufacturing apparatus having the above characteristics.
본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치는 복수의 반응기들(10a, 20a, 30a)을 포함하되, 상기 반응기들(10a, 20a, 30a)은 반응 시작점으로부터 순차적으로 일정한 높이 차이를 가지도록 설치될 수 있다.An apparatus for manufacturing a precursor of a cathode active material for a lithium ion secondary battery according to a first embodiment of the present invention includes a plurality of
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치는 복수의 반응기들(110a, 120a, 130a)을 포함하되, 상기 반응기들(10a, 20a, 30a)은 동일한 높이를 가지며, 외부 압력에 의해 선행 반응기에서 제조된 생성물이 후행 반응기로 이동 가능하도록 하는 것일 수 있다.In addition, the apparatus for manufacturing a precursor of a cathode active material for a lithium ion secondary battery according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of
본 발명의 제1실시예에 따른 제조장치에서, 상기 순차적으로 설치되는 각 반응기들 간의 높이 차이는 선행 반응기에서 합성된 침전물 유출구와 상기 침전물이 유입되는 후행 반응기 유입구의 높이를 차이 나도록 설치시켜 이루어지는 것이 바람직하다. In the manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention, the difference in height between the sequentially installed reactors is made by installing such that the height of the outlet of the precipitate synthesized in the preceding reactor and the inlet of the subsequent reactor into which the precipitate flows are different. desirable.
또한, 상기 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 제조장치에서, 상기 복수의 반응기들에서는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조용 원료 투입구를 포함하여, 각 반응기들에서 서로 다른 조성비로 투입시킬 수 있도록 원료의 함량 조절이 가능한 데 특징이 있다.In addition, in the manufacturing apparatus according to the first and second embodiments of the present invention, in the plurality of reactors, including a raw material inlet for manufacturing a cathode active material precursor of a lithium ion secondary battery, each reactor has a different composition ratio It is characterized by being able to control the content of raw materials so that they can be input.
또한, 상기 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따라 제조된 상기 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체는 코어-쉘 구조를 가지는 것이 바람직하다. In addition, the cathode active material precursor of the lithium ion secondary battery manufactured according to the first and second embodiments of the present invention preferably has a core-shell structure.
상기 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 제조장치에서, 상기 복수의 반응기들 중에서 제1반응기(10a, 110a)에서 합성된 제1침전물은 양극활물질 전구체의 코어층 제조를 위한 것일 수 있다.In the manufacturing apparatus according to the first and second embodiments of the present invention, the first precipitate synthesized in the
또한, 상기 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 제조장치에서, 상기 복수의 반응기들 중에서 상기 제1반응기(10a, 110a)의 후방에 순차적으로 설치된 반응기들(20a, 30a; 120a, 130a)에서 합성된 침전물들은 양극활물질 전구체의 쉘층이며, 상기 쉘층은 2층 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, in the manufacturing apparatus according to the first and second embodiments of the present invention, among the plurality of reactors,
각 실시예에서, 상기 쉘층은 Ni:Co:Mn으로 이루어지며, 상기 2층 이상으로 형성되는 각 쉘층은 서로 다른 조성을 가지도록 설계될 수 있으며, 이로 인해 전구체 건조시 발생될 수 있는 부피 변화에 따른 안정성을 가지도록 할 수 있다.In each embodiment, the shell layer is made of Ni:Co:Mn, and each shell layer formed of two or more layers may be designed to have a different composition, so that according to the volume change that may occur during drying of the precursor, stability can be achieved.
또한, 본 발명은 상기 제1실시예와 제2실시예에 따른 제조장치 중 어느 하나의 제조장치를 이용하여 제조된 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체를 제공한다.In addition, the present invention provides a cathode active material precursor of a lithium ion secondary battery manufactured using any one of the manufacturing apparatuses according to the first embodiment and the second embodiment.
본 발명에 따른 제조장치는 기존 회분식 반응기(batch reactor)에서와 같이 코어층에서 쉘층으로의 조성 변경시 합성을 멈추지 않아도 될 수 있다.In the manufacturing apparatus according to the present invention, synthesis may not be stopped when the composition is changed from the core layer to the shell layer, as in a conventional batch reactor.
또한, 각 반응기별로 높이적 단차를 두거나, 압력 차이를 두어 여러 개 배치함으로써 각 반응기들에서 전구체 제조에 사용되는 원재료인 메탈 용액, 가성소다, 암모니아의 함량비를 다르게 정할 수 있으므로 반응을 멈추지 않고 연속적으로 합성할 수 있어 전구체의 품질을 향상시킬 수 있다. In addition, by arranging several reactors with a height difference or a pressure difference for each reactor, the content ratio of metal solution, caustic soda, and ammonia, which are raw materials used in precursor manufacturing, can be set differently in each reactor, so that the reaction can be continuously performed without stopping. can be synthesized to improve the quality of the precursor.
또한 작업자의 운전 및 운영 관리도 용이해지는 효과를 기대할 수 있으며, 생산성도 높일 수 있다.In addition, the effect of facilitating operation and management of workers can be expected, and productivity can be increased.
도 1은 특허문헌 1에 따른 농도 구배 전구체 제조장치이고,
도 2는 특허문헌 2에 따른 코어-쉘 촉매 전극 제조장치이며,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 제조장치로서, 단차 구조를 가지는 복수의 반응기를 가지는 제조장치이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 제조장치로서, 동일한 높이를 가지도록 복수의 반응기를 배치하되, 펌프를 이용한 압력 조절장치를 포함하는 제조장치를 나타낸 것이다.1 is a concentration gradient precursor manufacturing apparatus according to Patent Document 1,
2 is a core-shell catalyst electrode manufacturing apparatus according to
Figure 3 is a manufacturing apparatus for a lithium ion secondary battery cathode active material precursor according to a first embodiment of the present invention, a manufacturing apparatus having a plurality of reactors having a stepped structure,
4 is a manufacturing apparatus for a lithium ion secondary battery cathode active material precursor according to a second embodiment of the present invention, which arranges a plurality of reactors to have the same height, but shows a manufacturing apparatus including a pressure control device using a pump. .
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups.
본 발명은 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 제조장치, 및 상기 제조장치를 이용하여 제조된 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체에 관한 것이다.The present invention relates to a manufacturing apparatus for a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery, and a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery manufactured using the manufacturing apparatus.
본 발명의 제1실시예에 따른 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 제조장치를 나타낸 다음 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제조장치(100)는 복수의 반응기들(10a, 20a, 30a)을 포함하되, 상기 반응기들(10a, 20a, 30a)은 반응 시작점(A)으로부터 순차적으로 일정한 높이 차이를 가지도록 설치되는 것일 수 있다.Referring to FIG. 3 showing a manufacturing apparatus for a cathode active material precursor for a lithium ion secondary battery according to a first embodiment of the present invention, the
상기 순차적으로 설치되는 각 반응기들 간의 높이 차이는 선행되는 반응기에서 합성된 침전물 유출구의 높이가 상기 침전물이 유입되는 후방 반응기의 유입구보다 높게 위치하면 된다. The difference in height between the sequentially installed reactors is determined when the height of the outlet of the precipitate synthesized in the preceding reactor is higher than the inlet of the rear reactor into which the precipitate is introduced.
즉, 다음 도 3을 참조하면, 제1반응기(10a)에서 합성된 침전물(이하 제1침전물이라 함)이 유출구(14a)를 통해서 제2반응기(20a)로 제1배관(15a)을 통과하여 유입될 때, 상기 제1반응기(10a)의 유출구(14a) 대비 상기 제2반응기(20a)의 유입구(26a)의 높이 차이를 둠으로써 제1반응기(10a)에서 합성된 제1침전물이 제2반응기(20a)로 효과적으로 이동할 수 있도록 한다.That is, referring to FIG. 3, the precipitate synthesized in the
이는 제2반응기(20a)에서 제3반응기(30a), 또한 제3반응기(30a)에서 제4반응기(40a)가 배치됨에 있어서도 동일하게 적용되며, 즉 상기 제2반응기(20a)의 유출구(24a) 대비 상기 제3반응기(30a)의 유입구(36a)도 일정한 높이 차이(단차)를 두도록 설치하고, 제3반응기(30a)의 유출구(34a) 대비 상기 리시버(40a)의 유입구(46a)도 일정한 높이 차이(단차)를 두도록 설치하는 것이 바람직하다. This applies equally to the arrangement of the
상기 높이 차이를 가짐으로써 각 반응기들(10a, 20a, 30a)이 일정한 단차를 두도록 위치할 수 있으며, 이로 인해 선행 반응기에서 합성된 생성물(침전물)이 후행 반응기로 효율적으로 이동할 수 있도록 하면서도 리시버(40a)에 최종 결과물이 도달할 때까지 반응이 중지되지 않고 연속적인 반응이 가능하도록 하는 효과를 가진다. By having the height difference, each of the
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 제조장치를 나타낸 다음 도 3에서는 3개의 반응기들(10a, 20a, 30a)만을 포함하고 있으나, 상기 반응기들은 3개에 한정되지 않고 소정의 목적에 따라 추가될 수도 있으며 그 개수는 특별히 한정되지 않는다.In addition, although the manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. 3 and includes only three
상기 반응기의 개수는 최종 제조되는 리튬 이온 이차전지 양극활물질 전구체의 구조에 따라 결정되는 것으로, 본 발명에 따른 상기 전구체는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 것이 바람직하다.The number of reactors is determined according to the structure of the finally prepared lithium ion secondary battery cathode active material precursor, and the precursor according to the present invention preferably has a core-shell structure.
따라서, 반응시작점(A)으로부터 제일 처음에 위치하는 상기 제1반응기(10a)에서는 양극활물질 전구체의 코어층 제조를 위한 것이며, 상기 제1반응기(10a)의 후방에 순차적으로 설치된 반응기들(20a, 30a)에서는 양극활물질 전구체의 쉘층 제조를 위한 것이다.Therefore, in the
본 발명에 따른 양극활물질 전구체에서는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지되, 상기 쉘층은 적어도 2개 이상의 층으로 형성시키는 것이 바람직하다.The cathode active material precursor according to the present invention has a core-shell structure, but the shell layer is preferably formed of at least two or more layers.
따라서, 상기 쉘층의 구조에 따라 반응기들의 개수가 결정된다고 할 수 있다. 예를 들어, 코어층과 2개의 쉘층으로 구성된 양극활물질 전구체를 제조하는 경우 3개의 반응기가 필요하며, 코어층과 3개의 쉘층으로 구성된 양극활물질 전구체를 제조하는 경우 4개의 반응기가 필요하다는 의미이다. Therefore, it can be said that the number of reactors is determined according to the structure of the shell layer. For example, in the case of manufacturing a cathode active material precursor composed of a core layer and two shell layers, three reactors are required, and in the case of manufacturing a cathode active material precursor composed of a core layer and three shell layers, four reactors are required.
이때 상기 코어층은 Ni과 Co로 이루어지는 것이 바람직하다. At this time, the core layer is preferably made of Ni and Co.
상기 코어층 제조를 위한 제1반응기(10a)는 침전제를 투입하는 투입구(11a), 킬레이팅제를 투입하는 투입구(11b), 및 제1 금속 수용액을 투입하는 투입구(11c)를 각각 소정의 함량비로 투입하여 이루어진다.The
상기 제1 금속 수용액은 Ni과 Co로 이루어졌으며, 킬레이팅제는 암모니아, 침전제는 가성소다를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 각 투입구를 통하여 반응 원료들이 투입되어 제1반응기(10a)에서 합성이 시작한 후, 수위가 높아지고 오버플로우가 시작되면, 제1반응기(10a)에서 형성된 침전물은 제1반응기의 유출구(14a)를 통해서 제2반응기(20a)의 유입구(26a)로 넘어가게 된다.The first metal aqueous solution is composed of Ni and Co, and it is preferable to use ammonia as a chelating agent and caustic soda as a precipitant. After the reaction raw materials are introduced through the inlets and synthesis starts in the
상기 각 반응기들(10a, 20a, 30a) 에는 상기 반응기에서 생성된 침전물의 균일한 분산을 위하여 상하 와류를 발생시키는 분산장치인 베플(12a, 22a, 32a)과 교반기(13a, 23a, 33a)을 포함한다. 즉, 각 반응기들(10a, 20a, 30a) 내부에 와류가 생기게 해서 반응물이 위 아래로 더 잘 혼합되도록 하기 위해서, 또한 사방으로 잘 섞여서 반응이 더 잘 일어나도록 하기 위한 분산장치라고 할 수 있다. 상기 베플(12a, 22a, 32a)은 각 반응기들(10a, 20a, 30a) 내부의 원주 방향을 따라 4~6개가 설치되는 것이 바람직하다.In each of the
상기 제2반응기(20a)의 유입구(26a)를 통하여 제1침전물이 유입되면, 제2반응기(20a)의 침전제 투입구(21a), 킬레이팅제를 투입하는 투입구(21b), 및 제2 금속 수용액을 투입하는 투입구(21c)를 통하여 각각 소정의 함량비로 원료를 투입시킨다. 상기 제1침전물에 의해 형성된 코어층에 상기 제2반응기(20a)에서 투입된 원료들이 반응하여 쉘층(제1쉘층이라 함)을 형성하게 되어 침전물(제2침전물이라 함)이 생성된다. When the first precipitate is introduced through the
상기 투입되는 침전제는 가성소다이고, 킬레이팅제는 암모니아이며, 쉘층 형성을 위한 제2 금속 수용액은 Ni, Co, Mn으로 이루어지는 것이 바람직하다. The precipitant added is caustic soda, the chelating agent is ammonia, and the second metal aqueous solution for forming the shell layer is preferably composed of Ni, Co, and Mn.
상기 쉘층은 Ni:Co:Mn으로 이루어지며, 쉘층을 구성하는 제1쉘층과 제2쉘층의 조성에서 상기 Ni:Co:Mn의 함량비를 상이하게 조절하여 다층 구조의 쉘층을 가지는 것이 바람직하다. The shell layer is made of Ni:Co:Mn, and the content ratio of Ni:Co:Mn is differently controlled in the composition of the first shell layer and the second shell layer constituting the shell layer to have a multi-layered shell layer. It is preferable to have.
또한, 상기 제2반응기(20a)에서 합성이 시작한 후, 수위가 높아지고 오버플로우가 시작되면, 제2반응기(20a)에서 형성된 제2침전물은 제2반응기의 유출구(24a)를 통해서 제3반응기(30a)의 유입구(36a)로 넘어가게 된다.In addition, after synthesis starts in the
상기 제3반응기(30a)의 유입구(36a)를 통하여 제2침전물이 유입되면, 제3반응기(30a)에서는 상기 제2반응기(20a)에서와 마찬가지로 침전제 투입구(31a), 킬레이팅제를 투입하는 투입구(31b), 및 제2 금속 수용액을 투입하는 투입구(31c)를 통하여 각각 소정의 함량비로 가성소다, 암모니아, 및 제2 금속 수용액으로 Ni, Co, Mn원료를 투입시킨다. When the second precipitate is introduced through the
상기 제2침전물에 의해 형성된 코어-쉘층에 상기 제3반응기(30a)에서 투입된 원료들이 반응하여 추가의 쉘층(제2쉘층이라 함)을 형성하게 되어 침전물(코어-쉘 구조의 전구체)이 생성되고, 제3반응기의 유출구(34a)를 통해서 리시버(40)의 유입구(46a)로 넘오버플로우 됨으로써 합성이 종료된다. The raw materials introduced in the
최종적으로 얻어진 양극활물질 전구체는 코어층과 2개의 쉘층으로 이루어진 구조를 가지며, 상기 2개의 쉘층은 서로 다른 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.The finally obtained cathode active material precursor has a structure consisting of a core layer and two shell layers, and the two shell layers are preferably composed of different compositions.
예를 들어, 상기 쉘층이 2층으로 구성되는 경우 Ni:Co:Mn으로 이루어지는 쉘층에서 제1쉘층에 비해 제2쉘층에서 Mn의 함량을 높게 포함시키는 것이 바람직하다. 즉 양극활물질 전구체의 최외곽에 위치한 제2쉘층에서 Mn의 함량을 제1쉘층 대비 높게 포함시킴으로써 Mn의 장점인 안정성을 증가시킬 수 있기 때문이다. For example, when the shell layer is composed of two layers, it is preferable to include a higher Mn content in the second shell layer than in the first shell layer in the shell layer composed of Ni:Co:Mn. That is, stability, which is an advantage of Mn, can be increased by including a higher Mn content than the first shell layer in the second shell layer located at the outermost part of the cathode active material precursor.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예인 제2실시예에 따른 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치를 나타낸 다음 도 4를 참조하면, 본 발명의 제조장치는 복수의 반응기들(110a, 120a, 130a)을 포함하되, 상기 반응기들(110a, 120a, 130a)은 동일한 높이를 가지면서도 외부 압력(170a, 270a, 370a)에 의해 선행하는 반응기에서 제조된 생성물이 후행하는 반응기로 이동 가능하도록 하는 데 특징을 가진다.On the other hand, referring to FIG. 4 showing an apparatus for manufacturing a cathode active material precursor of a lithium ion secondary battery according to the second embodiment, which is another embodiment of the present invention, the manufacturing apparatus of the present invention includes a plurality of
즉, 상기 도 3의 제1실시예에 따른 전구체 제조장치는 복수의 반응기들을 일정한 높이 차이를 가지도록 배치시키는 반면, 도 4의 제2실시예에 따른 전구체 제조장치는 복수의 반응기들을 높이 차이를 주지 않으면서 반응기들 간의 생성물 이동은 외부의 압력을 이용하여 물리적인 힘을 가하는 방법으로 수행하는 데 차이를 가진다.That is, the precursor manufacturing apparatus according to the first embodiment of FIG. 3 arranges a plurality of reactors to have a constant height difference, whereas the precursor manufacturing apparatus according to the second embodiment of FIG. 4 has a height difference between the plurality of reactors. Product movement between reactors without being applied has a difference in performing a method of applying physical force using external pressure.
따라서, 도 4에 따른 제조장치에서 각 반응기들(110a, 120a, 130a)과 리시버(140)은 상기 도 3과 동일한 구성으로 이루어져 있으며, 코어층과 쉘층 제조를 위해 사용되는 원료들도 동일하다. Therefore, in the manufacturing apparatus according to FIG. 4, each of the
다음 도 4를 참조하면, 복수의 반응기들(110a, 120a, 130a)과 리시버(140)은 동일한 높이를 가지도록 배열되며, 반응시작점(A‘으로부터 제일 처음에 위치하는 상기 제1반응기(110a)에서는 양극활물질 전구체의 코어층 제조를 위한 것이며, 상기 제1반응기(110a)의 후방에 순차적으로 설치된 반응기들(120a, 130a)에서는 양극활물질 전구체의 쉘층 제조를 위한 것이다.Referring to FIG. 4, the plurality of
다만, 각 투입구를 통하여 반응 원료들이 투입되어 제1반응기(110a)에서 합성이 시작한 후, 수위가 높아지고 오버플로우가 시작되면, 제1반응기(110a)에서 형성된 침전물은 제1반응기의 유출구(114a)를 통해서 제1배관(115a)을 통하여 제2반응기(120a)의 유입구(126a)로 넘어가게 된다. 이때 상기 제1배관(115a)에 외부의 압력으로 물리적인 힘을 가할 수 있도록 펌프 장치(170a)를 설치하여 펌프 압력을 이용하여 선행 반응기에서 생성된 침전물이 후행 반응기로 이동할 수 있도록 한다. However, after the reaction raw materials are introduced through each inlet and synthesis starts in the
상기 코어층 제조를 위한 제1반응기(110a)는 침전제를 투입하는 투입구(111a), 킬레이팅제를 투입하는 투입구(111b), 및 제1 금속 수용액을 투입하는 투입구(111c)를 각각 소정의 함량비로 투입하여 이루어진다.The
상기 코어층은 Ni과 Co로 이루어지는 것이 바람직하다. The core layer is preferably made of Ni and Co.
상기 제1 금속 수용액은 Ni과 Co로 이루어졌으며, 킬레이팅제는 암모니아, 침전제는 가성소다를 사용하는 것이 바람직하다. The first metal aqueous solution is composed of Ni and Co, and it is preferable to use ammonia as a chelating agent and caustic soda as a precipitant.
상기 각 반응기들(110a, 120a, 130a) 에는 상기 반응기에서 생성된 침전물의 균일한 분산을 위하여 상하 와류를 발생시키는 분산장치인 베플(112a, 122a, 132a)과 교반기(113a, 123a, 133a)을 포함한다. 즉, 각 반응기들(110a, 210a, 130a) 내부에 와류가 생기게 해서 반응물이 위 아래로 더 잘 혼합되도록 하기 위해서, 또한 사방으로 잘 섞여서 반응이 더 잘 일어나도록 하기 위한 분산장치라고 할 수 있다. 상기 베플(112a, 122a, 132a)은 각 반응기들(110a, 210a, 130a) 내부의 원주 방향을 따라 4~6개가 설치되는 것이 바람직하다.In each of the
상기 제2반응기(120a)의 유입구(126a)를 통하여 제1침전물이 유입되면, 제2반응기(120a)의 침전제 투입구(121a), 킬레이팅제를 투입하는 투입구(121b), 및 제2 금속 수용액을 투입하는 투입구(121c)를 통하여 각각 소정의 함량비로 원료를 투입시킨다. 상기 제1침전물에 의해 형성된 코어층에 상기 제2반응기(120a)에서 투입된 원료들이 반응하여 쉘층(제1쉘층이라 함)을 형성하게 되어 침전물(제2침전물이라 함)이 생성된다. When the first precipitate is introduced through the
또한, 상기 제2반응기(120a)에서 합성이 시작한 후, 수위가 높아지고 오버플로우가 시작되면, 제2반응기(120a)에서 형성된 제2침전물은 제2반응기의 유출구(124a)를 빠져나와 제2배관(125a)을 통하여 제3반응기(130a)의 유입구(136a)로 넘어가게 된다. 이때 상기 제2배관(125a)에 물리적인 힘을 가할 수 있도록 펌프 장치(270a)를 설치하여 제2반응기(120a)에서 생성된 제2침전물이 제3반응기(130a)로 이동할 수 있도록 한다. In addition, after synthesis starts in the
상기 제3반응기(130a)의 유입구(136a)를 통하여 제2침전물이 유입되면, 제3반응기(130a)에서는 상기 제2반응기(120a)에서와 마찬가지로 침전제 투입구(131a), 킬레이팅제를 투입하는 투입구(131b), 및 제2 금속 수용액을 투입하는 투입구(131c)를 통하여 각각 소정의 함량비로 가성소다, 암모니아, 및 제2 금속 수용액으로 Ni, Co, Mn원료를 투입시킨다. When the second precipitate is introduced through the
상기 제2침전물에 의해 형성된 코어-쉘층에 상기 제3반응기(130a)에서 투입된 원료들이 반응하여 추가의 쉘층(제2쉘층이라 함)을 형성하게 되어 침전물(제3침전물이라 함)이 생성되고, 제3반응기(130a)의 유출구(134a)를 빠져나와 제3배관(135a)을 통하여 리시버(140)의 유입구(146a)로 오버플로우 됨으로써 합성이 종료된다. 이때 상기 제3배관(135a)에 물리적인 힘을 가할 수 있도록 펌프 장치(370a)를 설치하여 제3반응기(130a)에서 생성된 최종 침전물(코어-쉘 구조의 전구체)이 리시버(140)로 이동할 수 있도록 한다. The raw materials introduced in the
이로써 본 발명에 따라 제조된 최종 양극활물질 전구체는 다층 구조를 가지는 쉘층에서도 서로 다른 조성을 가지도록 함으로써 전구체의 건조시 부피 안정성을 유지할 수 있도록 하는 효과를 가진다.As a result, the final cathode active material precursor prepared according to the present invention has an effect of maintaining volume stability during drying of the precursor by having different compositions even in the shell layer having a multilayer structure.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 안정적인 구조를 가지는 코어-쉘 구조의 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조를 위하여 복수의 반응기를 배치함에 있어 일정한 높이 차이를 두는 단차를 이용하거나; 외부의 물리적 힘을 가하여 동일한 높이로 복수의 반응기를 배치함으로써 달성할 수 있음을 확인하였다.As described in detail above, in the present invention, in arranging a plurality of reactors for manufacturing a cathode active material precursor of a lithium ion secondary battery having a stable core-shell structure, steps with a constant height difference are used; It was confirmed that this can be achieved by arranging a plurality of reactors at the same height by applying an external physical force.
또한, 코어-쉘 구조의 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조시, 코어층에서 쉘층으로의 조성 변경시 합성을 멈추어야 하는 단점을 없애는 것은 물론, 복수의 반응기를 배치함으로써 코어층과 쉘층 제조를 위해 주입되는 메탈 용액의 조성과 가성소다, 암모니아의 농도를 다르게 정할 수 있으므로 반응을 멈추지 않고 연속적으로 합성할 수 있기 때문에 전구체의 품질을 향상시킬 수 있다.In addition, when manufacturing a cathode active material precursor of a lithium ion secondary battery having a core-shell structure, the disadvantage of stopping the synthesis when changing the composition from the core layer to the shell layer is eliminated, as well as by arranging a plurality of reactors to manufacture the core layer and the shell layer. Since the composition of the injected metal solution and the concentrations of caustic soda and ammonia can be set differently, the quality of the precursor can be improved because it can be continuously synthesized without stopping the reaction.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다. In addition, although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
Claims (9)
상기 반응기들(10a, 20a, 30a)은 반응 시작점으로부터 순차적으로 일정한 높이 차이를 가지도록 설치되는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.Including a plurality of reactors (10a, 20a, 30a),
The reactors (10a, 20a, 30a) are installed to have a constant height difference sequentially from the reaction start point, a cathode active material precursor manufacturing apparatus of a lithium ion secondary battery.
상기 반응기들(10a, 20a, 30a)은 동일한 높이를 가지며, 외부 압력에 의해 선행 반응기에서 제조된 생성물이 후행 반응기로 이동 가능하도록 하는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.Including a plurality of reactors (110a, 120a, 130a),
The reactors (10a, 20a, 30a) have the same height, the positive electrode active material precursor manufacturing apparatus of a lithium ion secondary battery that allows the product produced in the preceding reactor to move to the subsequent reactor by external pressure.
상기 순차적으로 설치되는 각 반응기들 간의 높이 차이는 선행 반응기에서 합성된 침전물 유출구와 상기 침전물이 유입되는 후행 반응기 유입구의 높이를 차이 나도록 설치시켜 이루어지는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.According to claim 1,
The height difference between the sequentially installed reactors is a cathode active material precursor manufacturing device for a lithium ion secondary battery formed by installing a difference in height between the outlet of the precipitate synthesized in the preceding reactor and the inlet of the subsequent reactor into which the precipitate flows.
상기 복수의 반응기들에서는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조용 원료 투입구를 포함하여, 각 반응기들에서 서로 다른 조성비로 투입시킬 수 있도록 원료의 함량 조절이 가능한 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.According to claim 1 or 2,
In the plurality of reactors, including a raw material inlet for manufacturing a cathode active material precursor of a lithium ion secondary battery, the content of the raw material can be adjusted so that each reactor can be input at a different composition ratio. Apparatus for manufacturing a precursor of a cathode active material of a lithium ion secondary battery.
상기 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체는 코어-쉘 구조를 가지는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.According to claim 1 or 2,
The cathode active material precursor of the lithium ion secondary battery is a cathode active material precursor manufacturing apparatus of a lithium ion secondary battery having a core-shell structure.
상기 복수의 반응기들 중에서 제1반응기(10a, 110a)에서 합성된 제1침전물은 양극활물질 전구체의 코어층 제조용인 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.According to claim 1 or 2,
The first precipitate synthesized in the first reactors 10a and 110a among the plurality of reactors is a cathode active material precursor manufacturing apparatus for a lithium ion secondary battery for preparing a core layer of a cathode active material precursor.
상기 복수의 반응기들 중에서 상기 제1반응기(10a, 110a)의 후방에 순차적으로 설치된 반응기들에서 합성된 침전물들은 양극활물질 전구체의 쉘층이며, 상기 쉘층은 2층 이상으로 형성될 수 있는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.According to claim 1 or 2,
Among the plurality of reactors, the precipitates synthesized in the reactors sequentially installed at the rear of the first reactors 10a and 110a are a shell layer of a cathode active material precursor, and the shell layer may be formed in two or more layers for a lithium ion secondary battery. Cathode active material precursor manufacturing apparatus.
상기 쉘층은 Ni:Co:Mn으로 이루어지며, 상기 2층 이상으로 형성되는 각 쉘층은 서로 다른 조성을 가지는 리튬 이온 이차전지의 양극활물질 전구체 제조장치.According to claim 7,
The shell layer is made of Ni: Co: Mn, and each shell layer formed of two or more layers has a different composition, a cathode active material precursor manufacturing apparatus for a lithium ion secondary battery.
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