WO2021246831A1 - 튜브 모듈 및 그를 포함하는 튜브 조립체 - Google Patents

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WO2021246831A1
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tube
tube module
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baffle
coupling
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성은규
고영민
노준석
윤종설
오명환
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a tube module applied to a horizontal rotary kiln and a tube assembly including the same. More particularly, the present invention relates to a tube module applied to a horizontal rotary kiln for manufacturing a positive electrode active material and a tube assembly including the same.
  • a secondary battery refers to a battery that can be charged and discharged, unlike a primary battery that cannot be charged, and these secondary batteries are widely used in high-tech electronic devices such as phones, notebook computers, and camcorders.
  • a lithium transition metal oxide is used as a cathode active material.
  • lithium cobalt oxide with high operating voltage and excellent capacity characteristics as cathode active materials lithium nickel oxide with high reversible capacity of about 200 mAh/g and easy implementation of large-capacity batteries, and lithium nickel in which a part of nickel is substituted with cobalt Cobalt oxide, lithium nickel cobalt metal oxide in which a part of nickel is substituted with manganese, cobalt or aluminum, lithium manganese oxide having excellent thermal stability and low cost, and lithium iron phosphate having excellent stability are used.
  • the cathode active material is prepared by mixing a precursor for producing a cathode active material and a lithium raw material, then putting it into a heating device and sintering at a high temperature.
  • a horizontal rotary kiln may be applied as the heating device.
  • the horizontal rotary kiln includes a sintering vessel that accommodates a precursor for producing a positive electrode active material and a lithium raw material, rotates in a horizontal direction to mix, and a heating unit that reacts the precursor and the lithium raw material by adding heat to the sintering vessel.
  • the firing vessel was generally made of a metal material.
  • the firing vessel may react with the lithium raw material to cause corrosion, and contamination of the positive electrode active material may occur due to metal ions generated from the firing vessel, resulting in the quality of the positive electrode active material. There was a problem of this deterioration.
  • Patent Document 1 Patent Publication No. 10-2004-0069156
  • the present invention was invented to solve the above problems, and the present invention can prevent the tube and the insulator from being corroded by the reaction with the reaction raw material by including the tube and the insulator made of a ceramic material, and thus the metal
  • An object of the present invention is to provide a tube module that can prevent contamination of the positive electrode active material by metal ions generated from the container and can apply various heat sources such as microwaves.
  • Another object of the present invention is to provide a tube assembly capable of large-capacity processing by connecting two or more tube modules, including a flange for connecting the tube modules in a longitudinal direction, and a cathode active material firing apparatus including the same.
  • the tube module of the present invention for achieving the above object is a hollow formed in the core, the tube made of a ceramic material; an insulating material surrounding the outer circumferential surface of the tube and made of a ceramic material; and flanges respectively provided along the edges of both sides of the insulator and formed in a band shape.
  • the tube assembly of the present invention is a plurality of tube modules disposed in the longitudinal direction; and a coupling member for coupling the plurality of tube modules arranged in the longitudinal direction to be connected, wherein the tube module is the tube module according to the present invention described above, and the coupling member includes a flange of a tube module and a tube module corresponding to each other.
  • the cathode active material firing apparatus of the present invention includes the tube assembly according to the present invention.
  • the tube module of the present invention is characterized in that it includes a tube made of ceramic, a heat insulating material made of ceramic, and flanges provided on both sides of the heat insulating material, respectively. Due to such a feature, it is possible to prevent corrosion of the tube and the insulating material, and it is possible to prevent contamination of the reaction raw material, that is, the positive electrode active material due to corrosion, and as a result, the quality uniformity of the positive electrode active material can be improved.
  • the tube and the heat insulating material are formed of a ceramic material as in the present invention, since transmission of microwaves, etc. is possible unlike the metal material, the heat source can be diversified.
  • the tube module of the present invention includes a plurality of heating elements between the tube and the heat insulating material, and the plurality of heating elements are provided at equal intervals on the outer circumferential surface of the tube. It can be installed easily, and as a result, the coupling property between the tube and the heating element can be improved.
  • the outer circumferential surface of the tube includes an arrangement portion where a heating element is disposed, and the arrangement portion is characterized in that it is formed as an arrangement groove. and it is possible to prevent the heating element from moving along the outer circumferential surface of the tube.
  • the heating element is characterized in that it has a long bar shape to be connected from one side to the other side in the longitudinal direction of the tube. Accordingly, the quality uniformity of the positive electrode active material inside the tube can be improved.
  • the tube module of the present invention is characterized in that it includes a reinforcing bar, and due to such a feature, the strength of the insulating material can be increased, and thus the external appearance of the tube module can be stably maintained.
  • raw materials can be uniformly mixed during tube rotation, thereby improving the firing uniformity.
  • the baffle when at least one baffle coupling portion formed so that the baffle can be detachably attached to the inner wall of the tube is included, the baffle is mounted on the baffle coupling portion so that the raw materials can be uniformly mixed during rotation.
  • the amount of raw material input is large, uniform firing can be achieved.
  • various types of baffles can be arranged in the baffle coupling part in various shapes, and because various baffles of one tube can be applied, baffles that can achieve an optimal effect depending on the firing conditions or raw materials to be input It is possible to further improve the firing quality by using
  • the tube assembly of the present invention includes a tube made of a ceramic material, a heat insulating material made of a ceramic material, and a tube module including flanges provided on both sides of the heat insulating material, and a plurality of tube modules through the flange of the tube module in the longitudinal direction It is characterized in that it includes a coupling member to be coupled to each other, and due to such a feature, the tube module to which the ceramic material is applied can be connected to a desired length, thereby enabling large-capacity processing of the cathode active material, which is a reaction raw material.
  • Figure 1 is a perspective view showing a tube module according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a front view of Figure 1
  • Figure 3 is a side view of Figure 1
  • Figure 4 is a cross-sectional view of Figure 1
  • Figure 5 is 2 is a partially enlarged view.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a tube assembly according to a sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a side view of FIG. 6
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a tube module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a partially enlarged view showing a tube module according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a tube of a tube module according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating a connection state of the tube according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a tube of a tube module according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIGS. 14 and 15 are views illustrating a cross-sectional shape of a baffle coupling part according to the fifth embodiment.
  • FIGS. 17 to 23 are views showing various embodiments of the tube to which the baffle is coupled.
  • the tube module 100 includes a tube 110 made of a ceramic material, a heat insulating material 120 made of a ceramic material, and the tube 110. and a heating element 130 provided between the heat insulator 120 , a flange 140 provided on both sides of the heat insulator, respectively, and a reinforcement bar 150 to maintain the strength and outer shape of the heat insulator 120 .
  • the flange 140 serves to connect the plurality of tube modules to which the ceramic material is applied in the longitudinal direction.
  • the tube 110 is made of a ceramic material, and has a cylindrical shape having a hollow inside which a reaction raw material in powder form can be injected.
  • the tube 110 made of the ceramic material is made of high-purity alumina, and thus reactivity with the reaction raw material accommodated in the tube 110 can be minimized.
  • the tube 110 may include at least one selected from the group consisting of oxides (eg, Alumina, Zirconia, Quartz, Mullite), nitrides (eg, silicon nitride) and carbides (eg, Silicon carbide) among ceramic materials. have.
  • oxides eg, Alumina, Zirconia, Quartz, Mullite
  • nitrides eg, silicon nitride
  • carbides eg, Silicon carbide
  • the insulator 120 is made of a ceramic material, is provided in a shape surrounding the outer circumferential surface of the tube 110 , and absorbs heat generated from the tube 110 or the heating element 130 to prevent diffusion to the outside.
  • the ceramic has high heat resistance and high resistance to strong acids, bases, and corrosive conditions. Accordingly, the tube 110 and the heat insulating material 120 made of a ceramic material can prevent corrosion by the reactive raw material, that is, the positive electrode active material, and can prevent contamination of the positive electrode active material due to the corrosion.
  • the insulating material 120 may include at least one or two or more selected from the group consisting of quartz, mullite, and alumina among ceramic materials.
  • the heating element 130 is provided between the tube 110 and the insulating material 120 , and generates heat by microwaves to heat the reaction raw material accommodated in the tube 110 .
  • the heating element 130 is provided in plurality so as to be arranged at equal intervals along the outer peripheral surface of the tube 110 , and accordingly, the heating element 130 can be conveniently disposed on the outer peripheral surface of the tube 110 .
  • the heating element 130 has a long bar shape so as to be connected from one side in the longitudinal direction of the tube 110 to the other side (from the left end to the right end of the tube as seen in FIG. 3 ), and accordingly, in the longitudinal direction of the tube 110 . to generate heat at a uniform temperature.
  • the heating element 130 has a rectangular cross-section, and accordingly, by increasing the contact surface between the tube 110 and the heating element 130, the fixing force of the heating element 130 can be increased, and in particular, the heating element 130 is rotated. it can be prevented
  • an extension part 131 having thermal insulation properties is further included, and the extension part 131 is the heating element 130 . It is possible to prevent a non-uniform heating temperature from being generated by thermal insulation between the heating element 130 and the heating element 130 , and in particular, it is possible to maintain a constant distance between the heating element 130 and the heating element 130 .
  • the extension part 131 is integrally formed with the heat insulating material 120, so that the ease of manufacture can be obtained.
  • the heating element 130 may include at least one selected from the group consisting of SiC, graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene, and is preferably made of SiC material.
  • the flange 140 is for coupling a plurality of tube modules to be connected in the longitudinal direction, and is provided on both sides of the tube module in the longitudinal direction (front and back when viewed in FIG. 1 ), respectively, and both sides of the insulating material 120 . It has a band shape provided along the rim.
  • the tube 110 and the heat insulating material 120 made of a ceramic material with a length of several hundred mm or more than several thousand mm due to the characteristics of the material. Accordingly, the tube 110 made of a ceramic material and the tube module to which the heat insulating material 120 is applied are manufactured to a certain length, and then a plurality of tube modules are connected using a flange 140 to connect a tube to which a ceramic material of several hundred mm or thousands of mm is applied. module can be obtained.
  • the flange 140 is inserted into the insertion groove 121 formed along the edges of both sides of the insulator 120 , thereby increasing the adhesion and coupling force between the flange 140 and the insulator 120 .
  • an adhesive or a sealing agent may be further included between the flange 140 and the insertion groove 121 , thereby greatly increasing the bonding force between the flange 140 and the insertion groove 121 .
  • the surface of the flange 140 exposed to the outside and the surface of the insulating material 120 are located on the same horizontal line (X-ray line shown in FIG. 4), and accordingly, the plurality of tube modules 100 in the longitudinal direction When connected, the entire corresponding surface of the tube module corresponding to each other can be brought into close contact.
  • One or more reinforcing bars 150 are provided on the outer circumferential surface of the insulating material to reinforce the strength of the insulating material.
  • one side of the reinforcing bar 150 is supported by the heat insulating material 120 , and both ends are coupled to the flanges 140 provided on both sides of the heat insulating material 120 , respectively. Accordingly, the reinforcing bar 150 can stably reinforce the strength of the insulating material 120 through the connection with the flange 140 .
  • the reinforcing bar 150 has a rectangular cross-section, and thus the reinforcing bar 150 coupled to the flange 140 can be prevented from rotating, and thus the flange 140 and the reinforcing bar 150 are It is possible to prevent the occurrence of foreign substances due to weakening of bonding force and friction.
  • the flange 140 and the reinforcing bar 150 are formed of a metal or ceramic material, so that the strength of the flange 140 and the reinforcing bar 150 can be greatly increased, and the tube 110 from the outside ), the insulating material 120 and the heating element 130 can be stably protected.
  • the tube module 100 having the structure as described above includes a tube made of a ceramic material, a heat insulating material, and flanges provided on both sides of the heat insulating material, respectively, so that the tube and the heat insulating material are made of a reactive raw material. Corrosion can be prevented, and contamination of the positive electrode active material can be prevented by preventing corrosion of the tube, and a plurality of tube modules manufactured in a certain size can be connected to obtain a tube module of a set size.
  • heat sources such as microwaves can be diversified.
  • the tube module 100 has a coupling force between the tube 110 of the tube module 100 and the tube 110 of the tube module 100 corresponding to each other. It has a structure that raises the
  • the tube 110 has a coupling groove 111 formed along the main surface on one side (the left side of the tube as viewed in FIG. 9), and along the main surface on the other side (the right side of the tube as viewed in FIG. 9).
  • a coupling protrusion 113 is formed.
  • the coupling groove 111 and the coupling protrusion 113 of the tube module 100 correspond to each other.
  • the tube 110 of the tube module 100 and the tube 110 of the tube module 100 can be sealedly connected through the coupling groove 111 and the coupling protrusion 113. .
  • an adhesive layer having heat resistance may be further included between the coupling groove 111 and the coupling protrusion 113 that are coupled to each other, and accordingly, the sealing force between the coupling groove 111 and the coupling protrusion 113 is reduced. can be greatly increased.
  • the coupling groove 111 and the coupling protrusion 113 may be coupled through a force fitting coupling method or a screw fastening method.
  • an arrangement part 115 in which a plurality of the heating elements 130 are disposed is formed on the outer circumferential surface of the tube 110,
  • the heating element 130 can be conveniently disposed on the outer circumferential surface of the tube 110 through the arrangement part 115 .
  • the arrangement part 115 may be an arrangement groove recessed into the tube 110 , and may be disposed by inserting the heating element 130 into the arrangement groove.
  • a plurality of heating elements 130 can be conveniently disposed on the outer circumferential surface of the tube 110 without a separate installation device, and the heating element 130 is the tube 110 . It is possible to greatly prevent movement to the main surface of
  • an adhesive layer having heat resistance may be further included between the arrangement part and the heating element 130 , and the bonding force between the arrangement part and the heating element 130 may be increased through the adhesive layer.
  • the tube module 100 is a tube 110 in which the inner hollow is inclined in one direction, for example, from one end of the tube to the other end. may include At this time, the tube module 100 has the same configuration and function as the tube module described in the first to fourth embodiments, except that the hollow inside the tube 110 is formed in an inclined structure. A description will be omitted.
  • the inclined structure may be formed by forming different thicknesses of the tube inner wall 110a along the length direction of the tube 110 . That is, the tube 110 according to the present invention may increase or decrease the inner wall thickness in the longitudinal direction of the tube.
  • the hollow inclination angle ⁇ is smaller than the inclination angle of the tube module, that is, the angle between the tube module and the ground of the kiln when the tube module is mounted in the horizontal rotary kiln. . This is because, when the inclination angle of the hollow is greater than the inclination angle of the tube module, problems such as a reverse flow of the raw material or a decrease in flowability may occur.
  • the hollow may be formed in a structure inclined at an angle of 1° to 10°, preferably 3° to 5°, with respect to the outer wall 110b of the tube.
  • the adjacent tube 110 can be connected so that the inclinations of the hollow inclination structures are different from each other.
  • the inclination of the hollow inclined structure of the tube module may be different.
  • the fall width of the raw material increases at the connection part of the tube module when the tube assembly is rotated, so that the mixing effect of the raw material can be further improved.
  • the tube module 100 may include a tube 110 including a baffle coupling part 112 on an inner wall.
  • the tube module 100 has the same configuration and function as the tube module described in the first to fourth embodiments, except that the baffle coupling part 112 is formed on the inner wall of the tube 110 . , and overlapping descriptions are omitted.
  • the baffle coupling part 112 is formed so that the baffle can be detached and attached, and the baffle can be inserted and detached, and the baffle should be of a shape that can support the baffle when the baffle is inserted.
  • the baffle coupling part 112 may have a groove shape extending in the longitudinal direction of the tube 110 and recessed in the direction from the inner wall to the outer wall, as shown in FIG. 13, but is not limited thereto, It may be in the form of a support rail protruding toward the hollow from the inner tube wall.
  • the shape of the groove is not particularly limited.
  • the groove may have a rectangular cross-section, as shown in FIG. 14, or a T-shaped cross-section, as shown in FIG. 15.
  • the groove is semicircular, It may have a cross section such as a triangle or a polygon.
  • baffle coupling part 112 capable of detaching and attaching the baffle on the inner wall of the tube 110
  • various types of baffles can be attached and detached in the tube in various arrangement shapes, so that the firing conditions or the input material
  • a baffle that can produce an optimal effect can be selected and used.
  • the tube module 100 may have at least one baffle 114 coupled to the baffle coupling part 112 .
  • the baffle 114 can induce uniform mixing of raw materials, its shape is not particularly limited.
  • the baffle 114 may have a plate shape or a cross shape as shown in FIG. 16 , but is not limited thereto, and various types of baffles such as a semicircle or a triangle may be used.
  • the distal end of the baffle 114 inserted into the baffle coupling part 112 may have a cross-sectional shape corresponding to the shape of the baffle coupling part 112 .
  • the baffle coupling part 112 has a T-shaped cross section as shown in FIG. 15
  • the end of the baffle 114 inserted into the baffle coupling part 112 also has a T-shaped cross section.
  • the baffle 114 is preferably made of a ceramic material.
  • the baffle 114 is made of a ceramic material, it is possible to prevent corrosion by reacting with the reaction raw material or contamination of the raw material, and to transmit microwaves.
  • the baffle 114 may be applied to the tube module 100 in various arrangements. 17 to 23 show embodiments of a tube to which a baffle is coupled.
  • the tube 110 of the present invention as shown in FIGS. 17 and 18 , one or more pairs of baffle coupling portions 112a formed at positions symmetrical with respect to the central axis of the tube 110 . and one baffle 114 may be coupled to the pair of baffle coupling portions 112a.
  • the baffle 114 may be coupled to be disposed in a direction parallel to the longitudinal direction of the tube 110 as shown in FIG. 17 , and in the longitudinal direction of the tube 110 as shown in FIG. 18 . They may be coupled to be disposed in a vertical direction.
  • the tube 110 of the present invention as shown in FIG. 19 , two pairs of baffle coupling portions 112a and 112b formed at positions symmetrical with respect to the central axis of the tube 110 . and a baffle 114 having a cross-section in the cross-section of the two pairs of baffle coupling portions may be coupled to each other.
  • the baffle 114 has a width corresponding to the inner diameter of the tube 110 and a length corresponding to the length of the tube, but is not limited thereto. As shown in FIG. 20, a baffle 114 having a width d smaller than the inner diameter R of the tube 110 may be applied, and as shown in FIG. It is also possible to apply a baffle with a short length l.
  • baffle 114 is applied to the tube 110 in FIGS. 17 to 20
  • the present invention is not limited thereto, and two or more baffles may be coupled to one tube 110 .
  • 21 to 23 show embodiments of a tube to which two or more baffles are applied.
  • the tube 110 of the present invention has a width (d) smaller than the inner diameter (R) of the tube in the baffle coupling portion 112, the length of the tube (L) ), the plate-shaped baffles 114 having a smaller length (l) may be combined at regular intervals along the length direction of the tube.
  • the baffles 114 have a width of less than 1/2 of the inner diameter (R) of the tube, and the baffle coupling portions 112c and 112d formed at positions symmetrical with respect to the central axis of the tube, that is, in the drawing
  • One or more baffles may be coupled to each of the baffle coupling portion 112c located at the upper portion of the tube and the baffle coupling portion 112d located at the lower portion of the tube in the drawing.
  • the baffle coupled to the upper baffle coupling part and the baffle coupled to the lower baffle coupling part may be shifted from each other along the longitudinal direction of the tube, as shown in FIG. have.
  • the tube 110 of the present invention may be a combination of two or more baffles in a different arrangement to the baffle coupling portion.
  • the baffle is lock-coupled to be disposed parallel to the longitudinal direction of the tube in one region of the tube, and the baffle is disposed perpendicular to the longitudinal direction of the tube in another region of the tube.
  • the tube 110 of the present invention may be a combination of two or more baffles 114a, 114b, 114c having different shapes and/or arrangements to the baffle coupling portions 112c and 112d.
  • a cross-shaped baffle is coupled to one area inside the tube, and a plate-shaped baffle is coupled to another area inside the tube to be disposed parallel to the longitudinal direction of the tube, In another area, the plate-shaped baffle may be coupled to be disposed perpendicular to the longitudinal direction of the tube.
  • a fixing member 116 for fixing the baffles to the baffle coupling parts 112c and 112d may be further provided, if necessary (see FIG. 21 ).
  • the fixing member 116 fixes the position of the baffle 114 and serves to adjust the spacing between the baffles 114 .
  • the baffle 114 is supported by the fixing member 116 to prevent the baffle from moving left and right, and the baffle spacing can be adjusted according to the length of the fixing member 116 .
  • the fixing member may be applied to the baffle coupling portion that is not coupled to the baffle. When the fixing member is applied to the baffle coupling part that is not coupled to the baffle, it is possible to obtain an effect of preventing the raw material from being caught in the empty baffle coupling part.
  • the firing quality can be further improved by varying the mixing degree of the raw materials according to the firing conditions in the tube.
  • multiple baffles with a short width are used or a baffle with a large area in contact with the raw material such as a cross-shaped baffle is used so that the raw material can be actively mixed
  • a plate-shaped baffle having a relatively small contact area with the raw material or a short baffle may be used to minimize dust or damage to the fired product.
  • a tube assembly 10 according to a sixth embodiment of the present invention, as shown in Figures 6 to 8, a plurality of tube modules 100 arranged in the longitudinal direction; and a coupling member 200 for connecting the plurality of tube modules 100 disposed in the longitudinal direction to be connected.
  • the tube module 100 is a hollow tube 110 made of a ceramic material, a heat insulating material 120 surrounding the outer circumferential surface of the tube 110 and made of a ceramic material, and between the tube 110 and the heat insulating material 120 . It includes a provided heating element 130 , a flange 140 provided along both side edges of the insulator 120 and formed in a band shape, and a reinforcing bar 150 for reinforcing the strength of the heat insulator 120 .
  • the tube module 100 has the same configuration and function as the tube module described in the first to fifth embodiments, and thus overlapping description will be omitted.
  • the coupling member 200 is for connecting a plurality of tube modules in the longitudinal direction, as shown in FIG. 8 , and the flange 140 of the tube module 100 and the flange of the tube module 100 corresponding to each other ( 140) to connect the plurality of tube modules 100 in the longitudinal direction.
  • the coupling member 200 includes a coupling bolt 210 passing through the flange 140 of the one tube module 100 and the flange 140 of the other tube module 100 that are in close contact with each other, referring to FIG. 8 . , including a coupling nut 220 coupled to a coupling bolt 210 passing through the flange 140 of the other tube module 100, and through the coupling of the coupling bolt 210 and the coupling nut 220
  • a plurality of tube modules 100 may be connected in the longitudinal direction.
  • an adhesive layer 300 having heat resistance is further included between the one tube module 100 and the other tube module 100, which are surface-close to each other, and the adhesive layer 300 is the one tube module 100 and the other side that are surface-contacted to each other.
  • the bonding strength and sealing strength of the tube module 100 can be greatly increased.
  • the module tube 110 including the ceramic tube 110 and the heat insulating material 120 can be manufactured to a length of hundreds or thousands of mm or more. Accordingly, it is possible to configure the tube module 100 capable of large-capacity processing of a cathode active material, which is a reaction raw material.
  • a cathode active material firing apparatus includes a tube assembly including a plurality of tube modules 100 and a coupling member 200 for coupling the plurality of tube modules 100 to be connected in a longitudinal direction. do.
  • the tube module assembly has the same configuration as that of the tube assembly described in the sixth embodiment, and thus overlapping description will be omitted.
  • the cathode active material firing device may be a horizontal rotary firing device that rotates on a rotation axis horizontal to the longitudinal direction of the tube module 100 during firing.
  • the cathode active material firing apparatus can process a large amount of the cathode active material by applying a tube assembly in which a plurality of tube modules to which a ceramic material is applied are connected in the longitudinal direction, thereby greatly reducing work efficiency and work time. In particular, it is possible to obtain a positive electrode active material of uniform quality.
  • the cathode active material firing apparatus of the present invention can be applied to a microwave heat source because the tube and the heat insulating material are made of a ceramic material.

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Abstract

본 발명은 중공이 형성되고, 세라믹 재질로 이루어진 튜브; 상기 튜브의 외주면을 감싸고, 세라믹 재질로 이루어진 단열재; 및 상기 단열재의 양쪽면 테두리를 따라 각각 구비되고, 띠 형태로 이루어진 플랜지를 포함한다.

Description

튜브 모듈 및 그를 포함하는 튜브 조립체
본 출원은 2020년 6월 5일에 출원된 한국특허출원 제10-2020-0068508호, 2020년 9월 25일에 출원된 한국특허출원 제10-2020-0125179호, 및 2020년 9월 25일에 출원된 한국특허출원 제10-2020-0125180호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 수평 회전식 소성로에 적용되는 튜브 모듈 및 그를 포함하는 튜브 조립체에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 양극 활물질 제조용 수평 회전식 소성로에 적용되는 튜브 모듈 및 그를 포함하는 튜브 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 이러한 이차 전지는 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
특히 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지며, 사이클 수명이 길고, 자기방전율이 낮은 리튬 이차 전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 상기 리튬 이차전지는 양극활물질로 리튬 전이금속 산화물이 이용되고 있다. 즉, 양극활물질로는 작용전압이 높고 용량 특성이 우수한 리튬 코발트 산화물, 약 200 mAh/g의 높은 가역용량을 가지고 대용량의 전지 구현이 용이한 리튬 니켈 산화물, 니켈의 일부를 코발트로 치환한 리튬니켈코발트산화물, 니켈의 일부를 망간, 코발트 또는 알루미늄으로 치환한 리튬니켈코발트금속 산화물, 열적 안정성이 우수하고 저렴한 리튬 망간계 산화물, 안정성이 우수한 리튬철인산화물 등이 이용되고 있다.
상기한 양극 활물질은 양극 활물질 제조용 전구체와 리튬 원료물질을 혼합한 후, 가열 장치에 투입하여 고온에서 소성하는 방법을 통해 제조된다.
이때, 상기 가열장치로는 수평 회전식 소성로가 적용될 수 있다. 상기 수평 회전식 소성로는 양극 활물질 제조용 전구체와 리튬 원료 물질을 수용하고, 수평방향으로 회전시켜서 혼합하는 소성 용기와, 상기 소성 용기에 열을 부가하여 상기 전구체 및 리튬 원료 물질을 반응시키는 가열부를 포함한다.
여기서 상기 소성 용기는 금속 재질로 이루어지는 것이 일반적이었다.
그러나 금속 재질의 소성 용기을 이용하여 소성을 수행할 경우, 소성 용기가 리튬 원료 물질과 반응하여 부식이 발생할 수 있고, 소성 용기로부터 야기되는 금속 이온에 의해 양극활물질의 오염이 발생하여, 양극 활물질의 품질이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 금속 재질의 소성 용기를 사용할 경우, 마이크로웨이브 등과 같은 열원을 사용할 수 없으며, 이에 따라 사용가능한 열원 종류가 제한적이었다.
<선행기술문헌>
(특허문헌 1) 특허공개특허 제10-2004-0069156호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명은 세라믹 재질로 이루어진 튜브 및 단열재를 포함함으로써 반응 원료와의 반응에 의해 튜브 및 단열재가 부식되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 금속 용기로부터 야기되는 금속 이온에 의해 양극 활물질이 오염되는 것을 방지할 수 있으며, 마이크로웨이브 등의 다양한 열원을 적용할 수 있는 튜브 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 튜브 모듈을 길이 방향으로 연결하는 플랜지를 포함하여, 2개 이상의 튜브 모듈을 연결함으로써 대용량 처리가 가능한 튜브 조립체 및 이를 포함하는 양극 활물질 소성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 튜브 모듈은 심부에 중공이 형성되고, 세라믹 재질로 이루어진 튜브; 상기 튜브의 외주면을 감싸고, 세라믹 재질로 이루어진 단열재; 및 상기 단열재의 양쪽면 테두리를 따라 각각 구비되고, 띠 형태로 이루어진 플랜지를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 튜브 조립체는 길이방향으로 배치되는 복수개의 튜브 모듈; 및 길이방향으로 배치된 복수개의 상기 튜브 모듈을 연결되게 결합하는 결합부재를 포함하며, 상기 튜브 모듈은 상술한 본 발명에 따른 튜브 모듈이며, 상기 결합부재는 상호 대응하는 튜브 모듈의 플랜지와 튜브 모듈의 플랜지를 결합하여 복수개의 튜브 모듈을 길이방향으로 연결할 수 있다.
한편, 본 발명의 양극 활물질 소성장치는 상기 본 발명에 따른 튜브 조립체를 포함한다.
본 발명의 튜브 모듈은 세라믹으로 이루어진 튜브, 세라믹으로 이루어진 단열재, 및 단열재 양쪽면에 각각 구비되는 플랜지를 포함하는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 튜브 및 단열재의 부식을 방지할 수 있고, 부식으로 인해 반응원료, 즉 양극 활물질의 오염을 방지할 수 있으며, 그 결과 양극 활물질의 품질 균일성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명과 같이 세라믹 재질로 튜브 및 단열재를 형성할 경우, 금속 재질과 달리 마이크로웨이브 등의 투과가 가능하기 때문에, 열원을 다양화할 수 있다.
특히 본 발명의 튜브 모듈은 튜브와 단열재 사이에 복수개의 발열체를 포함하되, 복수개의 발열체는 상기 튜브의 외주면에 등간격으로 구비되는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 튜브의 외주면에 발열체를 용이하게 설치할 수 있고, 그 결과 튜브와 발열체의 결합성을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 튜브 모듈에서 튜브의 외주면에는 발열체가 배치되는 배치부를 포함하되, 상기 배치부는 배치홈으로 형성되는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 튜브의 외주면에 복수개의 발열체를 간편하게 배치할 수 있고, 발열체가 튜브의 외주면을 따라 움직이는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 튜브 모듈에서 발열체는 튜브의 길이방향 일측에서 타측까지 연결되도록 긴 바 형태를 가지는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 튜브의 길이방향으로는 동일한 가열온도를 유지시킬 수 있고, 이에 따라 튜브 내부의 양극활물질의 품질 균일성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 튜브 모듈은 보강바를 포함하는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 단열재의 강도를 증대시킬 수 있고, 이에 따라 튜브 모듈의 외형을 안정적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명과 같이 튜브 내부의 중공을 경사진 구조로 형성할 경우, 튜브 회전 시에 원료 물질들이 균일하게 혼합될 수 있도록 함으로써, 소성 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명과 같이 튜브 내벽에 배플이 탈부착될 수 있도록 형성된 적어도 하나의 배플 결합부를 포함할 경우, 상기 배플 결합부에 배플을 장착하여 회전 시에 원료 물질들이 균일하게 혼합될 수 있도록 함으로써, 종래에 비해 원료 투입량이 많은 경우에 균일한 소성이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 배플 결합부에 다양한 형태의 배플을 다양한 형태로 배치할 수 있을 뿐 아니라, 하나의 튜브의 다양한 배플을 적용할 수 있기 때문에 소성 조건이나 투입되는 원료에 따라 최적의 효과를 낼 수 있는 배플을 사용함으로써 소성 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 튜브 조립체는 세라믹 소재로 이루어진 튜브, 세라믹 소재로 이루어진 단열재, 및 단열재의 양쪽면에 각각 구비된 플랜지를 포함하는 튜브 모듈과, 상기 튜브 모듈의 플랜지를 통해 복수개의 튜브 모듈 길이방향으로 연결되게 결합하는 결합부재를 포함하는 것에 특징을 가지며, 이와 같은 특징으로 인해 세라믹 재질이 적용된 튜브 모듈을 원하는 길이만큼 연결시킬 수 있고, 그에 따라 반응 원료인 양극 활물질의 대용량 처리가 가능하다. 즉, 세라믹 소재로 이루어진 튜브 및 단열재는 소재의 특성상 일정 구경 및 일정 길이 이상 제조가 매우 어렵고, 제품 가격이 상당히 고가이다. 이에 따라 플랜지와 결합부재를 통해 세라믹 재질로 이루어진 적절한 구경 및 길이의 튜브 및 단열재 복수개를 원하는 길이만큼 연결할 수 있고, 그 결과 대용량 처리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도, 도 3은 도 1의 측면도, 도 4는 도 1의 단면도이며, 도 5는 도 2의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 튜브 조립체를 도시한 사시도이며, 도 7은 도 6의 측면도이고, 도 8은 도 6의 일부 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 모듈을 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 모듈을 도시한 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 튜브 모듈의 튜브를 도시한 투시도이며, 도 12는 제4 실시예에 따른 튜브의 연결 상태를 예시한 투시도이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 튜브 모듈의 튜브를 도시한 사시도이며, 도 14 및 도 15는 제5 실시예에 따른 배플 결합부의 단면 형상을 예시한 도면이다.
도 16은 제5 실시예에 따른 튜브 모듈에 적용되는 배플의 구현예들을 도시한 도면이며, 도 17 내지 도 23은 배플이 결합된 튜브의 다양한 구현예들을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 모듈]
본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은 도 1 내지 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 세라믹 재질로 이루어진 튜브(110), 세라믹 재질로 이루어진 단열재(120), 상기 튜브(110)와 단열재(120) 사이에 구비되는 발열체(130), 상기 단열재의 양쪽면에 각각 구비되는 플랜지(140) 및 상기 단열재(120)의 강도 및 외형을 유지시키는 보강바(150)를 포함한다.
한편, 플랜지(140)는 세라믹 소재가 적용된 튜브 모듈 복수개를 길이방향으로 연결하는 역할을 한다.
튜브
상기 튜브(110)는 세라믹 재질로 이루어지고, 내부에 분체 형태의 반응 원료를 투입할 수 있는 중공이 형성된 원통 형태를 가진다.
여기서 상기 세라믹 재질로 이루어진 튜브(110)는 고순도 알루미나로 이루어지며, 이에 따라 상기 튜브(110) 내부에 수용되는 반응원료와의 반응성을 최소화할 수 있다.
여기서 상기 튜브(110)는 세라믹 소재 중 산화물(예, Alumina, Zirconia, Quartz, Mullite), 질화물(예, silicon nitride) 및 탄화물(예, Silicon carbide)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
단열재
상기 단열재(120)는 세라믹 재질로 이루어지고, 상기 튜브(110)의 외주면을 감싸는 형태로 구비되며, 튜브(110) 또는 발열체(130)로부터 발생하는 열을 흡수하여 외부로 확산되는 것을 방지한다.
한편, 상기 세라믹은 높은 내열성과, 강한 산이나 염기, 부식성 조건에서도 높은 저항력을 가진다. 이에 따라 세라믹 재질로 이루어진 상기 튜브(110) 및 상기 단열재(120)는 반응 원료, 즉 양극 활물질에 의한 부식을 방지할 수 있고, 상기 부식으로 인한 양극 활물질의 오염발생을 방지할 수 있다.
여기서 상기 단열재(120)는 세라믹 소재 중 쿼츠, 뮬라이트 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 둘 이상을 동시에 포함할 수 있다.
발열체
상기 발열체(130)는 상기 튜브(110)와 상기 단열재(120) 사이에 구비되고, 마이크로파에 의해 열을 발생시켜서 상기 튜브(110)에 수용된 반응 원료를 가열한다.
여기서 상기 발열체(130)는 상기 튜브(110)의 외주면을 따라 등간격으로 배치되도록 복수개로 마련되며, 이에 따라 발열체(130)를 튜브(110)의 외주면에 간편하게 배치할 수 있다.
여기서 상기 발열체(130)는 상기 튜브(110)의 길이방향 일측에서 타측(도 3에서 보았을 때 튜브의 좌측끝단에서 우측끝단)까지 연결되도록 긴 바 형태를 가지며, 이에 따라 튜브(110)의 길이방향으로 균일한 온도의 열을 발생시킬 수 있다.
특히 상기 발열체(130)는 단면이 사각 형태를 가지며, 이에 따라 튜브(110)와 발열체(130)의 밀착면을 증대시켜서 발열체(130)의 고정력을 높일 수 있고, 특히 발열체(130)가 회전되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 튜브(110)의 외주면에 등간격으로 배치된 발열체(130)와 발열체(130) 사이에는 단열성을 가진 연장부(131)가 더 포함되며, 상기 연장부(131)는 발열체(130)와 발열체(130) 사이의 단열하여 불균일한 가열온도가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 특히 발열체(130)와 발열체(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 연장부(131)는 단열재(120)와 일체로 형성되며, 이에 따라 제작의 용이성을 얻을 수 있다.
한편, 발열체(130)는 SiC, 흑연, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 SiC 소재로 형성된다.
플랜지
상기 플랜지(140)는 튜브 모듈 복수개를 길이방향으로 연결되게 결합시키기 위한 것으로, 튜브 모듈의 길이방향 양쪽면(도 1에서 보았을 때 정면과 배면)에 각각 구비되고, 상기 단열재(120)의 양쪽면 테두리를 따라 구비되는 띠 형태를 가진다.
한편, 본 발명에서 세라믹 재질로 이루어진 튜브(110)와 단열재(120)는 소재의 특성상 수백 mm 또는 수천 mm 이상의 길이로 제조가 매우 어렵다. 이에 따라 세라믹 재질로 이루어진 튜브(110)와 단열재(120)가 적용된 튜브 모듈 일정 길이로 제조한 후, 플랜지(140)를 이용하여 튜브 모듈 복수개를 연결시킴으로써 수백 mm 또는 수천 mm의 세라믹 재질이 적용된 튜브 모듈을 얻을 수 있다.
한편, 플랜지(140)는 상기 단열재(120)의 양쪽면 테두리를 따라 형성되는 삽입홈(121)에 삽입되며, 이에 따라 플랜지(140)와 단열재(120)의 밀착력과 결합력을 높일 수 있다. 그리고 플랜지(140)과 상기 삽입홈(121) 사이에는 접착제 또는 밀봉제가 더 포함될 수 있으며, 이에 따라 플랜지(140)과 상기 삽입홈(121)의 결합력을 크게 높일 수 있다.
또한, 외부에 노출된 상기 플랜지(140)의 표면과 상기 단열재(120)의 표면은 동일한 수평선상(도 4에 표시된 X선상)에 위치하며, 이에 따라 복수개의 튜브 모듈(100)을 길이방향으로 연결할 경우 상호 대응하는 튜브 모듈의 대응면 전체를 면밀착시킬 수 있다.
보강바
상기 보강바(150)는 상기 단열재의 외주면에 하나 이상 구비되고 상기 단열재의 강도를 보강한다. 여기서, 상기 보강바(150)는 일면이 상기 단열재(120)에 지지되고, 양쪽 단부가 상기 단열재(120)의 양쪽면에 각각 구비된 플랜지(140)에 각각 결합된다. 이에 따라 보강바(150)는 플랜지(140)와의 연결성을 통해 상기 단열재(120)의 강도를 안정적으로 보강할 수 있다.
특히 보강바(150)는 단면이 사각형태를 가지며, 이에 따라 플랜지(140)에 결합된 보강바(150)가 회전하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 플랜지(140)와 보강바(150)의 결합력 약화와 마찰로 인한 이물질 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상기 플랜지(140) 및 상기 보강바(150)는 금속 또는 세라믹 소재로 형성되며, 이에 따라 상기 플랜지(140) 및 상기 보강바(150)의 강도를 크게 높일 수 있고, 외부로부터 튜브(110), 단열재(120) 및 발열체(130)를 안정적으로 보호할 수 있다.
따라서 상기와 같은 구조를 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은 세라믹 재질로 이루어진 튜브 및 단열재, 상기 단열재의 양쪽면에 각각 구비되는 플랜지를 포함함으로써 반응 원료로 인한 튜브 및 단열재 부식을 방지할 수 있고, 튜브의 부식을 방지함에 따라 양극 활물질의 오염을 방지할 수 있으며, 일정 크기로 제조된 튜브 모듈 복수개를 연결할 수 있어 설정된 크기의 튜브 모듈을 얻을 수 있다. 특히 마이크로웨이브 등 열원을 다양화할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명함에 있어 앞에서 설명한 실시예와 동일한 기능을 가지는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.
[본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 모듈]
본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은 도 9에 도시되어 있는 것과 같이, 상호 대응하는 튜브 모듈(100)의 튜브(110)와 튜브 모듈(100)의 튜브(110)의 결합력을 높이는 구조를 가진다.
즉, 상기 튜브(110)는 일측면(도 9에서 보았을 때 튜브의 좌측면)에 주면을 따라 결합홈(111)이 형성되고, 타측면(도 9에서 보았을 때 튜브의 우측면)에 주면을 따라 결합돌기(113)가 형성된다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은 복수개의 튜브 모듈(100)을 길이방향으로 배치할 때 튜브 모듈(100)의 결합홈(111)과 결합돌기(113)가 대응되게 배치하며, 그 결과 상기 결합홈(111)과 상기 결합돌기(113)를 통해 상호 대응하는 튜브 모듈(100)의 튜브(110)와 튜브 모듈(100)의 튜브(110)를 밀봉되게 연결할 수 있다.
한편, 상호 결합되는 상기 결합홈(111)과 상기 결합돌기(113) 사이에는 내열성을 가진 접착층이 더 포함될 수 있으며, 이에 따라 상기 결합홈(111)과 상기 결합돌기(113) 사이의 밀봉력을 크게 높일 수 있다.
한편, 상기 결합홈(111)과 상기 결합돌기(113)는 억지끼움 결합방식 또는 나사 체결방식을 통해 결합될 수 있다.
[본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 모듈]
본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은 도 10에 도시되어 있는 것과 같이, 튜브(110)의 외주면에 복수개의 상기 발열체(130)가 배치되는 배치부(115)가 형성되며, 상기 배치부(115)를 통해 튜브(110)의 외주면에 발열체(130)를 간편하게 배치할 수 있다.
일례로, 상기 배치부(115)는 튜브(110)의 내부로 함몰되는 배치홈일 수 있으며, 상기 배치홈에 상기 발열체(130)를 삽입하여 배치할 수 있다.
따라서 본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은 별도의 설치장치 없이도 튜브(110)의 외주면에 복수개의 발열체(130)를 간편하게 배치할 수 있고, 발열체(130)가 튜브(110)의 주면으로 움직이는 것을 크게 방지할 수 있다.
한편, 상기 배치부와 상기 발열체(130) 사이에는 내열성을 가진 접착층이 더 포함될 수 있으며, 상기 접착층을 통해 상기 배치부와 상기 발열체(130)의 결합력을 높일 수 있다.
[본 발명의 제4 실시예에 따른 튜브 모듈]
본 발명의 제4 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 내부 중공이 일 방향, 예를 들면, 튜브의 일단에서 타단 방향으로 경사진 구조로 형성된 튜브(110)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 튜브 모듈(100)은 튜브(110) 내부의 중공이 경사 구조로 형성된 점을 제외하고는, 제1 실시예 내지 제4실시예에서 설명한 튜브 모듈과 동일한 구성과 기능을 가지므로, 중복되는 설명은 생략한다.
상기와 같이 튜브 내부의 중공이 경사진 구조로 형성되면, 튜브 모듈이 회전될 때, 튜브 내부 영역에 따라 원료물질의 회전 정도가 달라지기 때문에, 중공이 평행하게 형성된 튜브에 비해 원료 혼합이 보다 균일하게 이루어진다,
상기 경사 구조는 튜브(110)의 길이 방향에 따라 튜브 내벽(110a)의 두께를 다르게 형성함으로써 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 따른 튜브(110)는 튜브의 길이 방향에 따른 내벽 두께가 증가하거나 감소하는 것일 수 있다.
또한, 상기 중공의 경사 각도(α)는, 상기 튜브 모듈이 수평 회전식 소성로에 장착되었을 때, 튜브 모듈의 경사 각도, 즉, 튜브 모듈과 소성로의 지면이 이루는 각도보다 작은 각도로 형성되는 것이 바람직하다. 중공의 경사 각도가 튜브 모듈의 경사 각도보다 커지면, 원료 물질이 역류하거나 흐름성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
구체적으로는, 상기 중공은 상기 튜브의 외벽(110b)에 대하여, 1° 내지 10°, 바람직하게는 3° 내지 5°의 각도로 경사진 구조로 형성될 수 있다.
한편, 상기와 같이 내부 중공을 경사진 형태로 형성된 튜브(110)를 포함하는 튜브 모듈(100) 이용하여 튜브 조립체(10)를 형성할 경우, 도 12에 도시된 바와 같이, 이웃한 튜브(110)의 중공 경사 구조의 기울기가 서로 상이하게 되도록 연결할 수 있다. 예를 들면, 튜브 모듈을 조립할 때 튜브 모듈을 180도 회전시켜 교차 배열하여 연결함으로써, 튜브 모듈의 중공 경사 구조의 기울기를 상이하게 할 수 있다.
상기와 같이 이웃한 튜브 모듈의 중공 경사 구조의 기울기가 상이할 경우, 튜브 조립체 회전 시 튜브 모듈의 연결부에서 원료 물질의 낙차 폭이 증가하여 원료 물질의 혼합 효과를 더욱 우수하게 할 수 있다.
[본 발명의 제5 실시예에 따른 튜브 모듈]
본 발명의 제5 실시예에 따른 튜브 모듈(100)은, 도 13에 도시된 바와 같이, 내벽에 배플 결합부(112)을 포함하는 튜브(110)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 튜브 모듈(100)은 튜브(110) 내벽에 배플 결합부(112)가 형성된 점을 제외하고는, 제1 실시예 내지 제4실시예에서 설명한 튜브 모듈과 동일한 구성과 기능을 가지므로, 중복되는 설명은 생략한다.
상기 배플 결합부(112)는 배플(baffle)이 탈, 부착될 수 있도록 형성된 것으로, 배플을 삽입, 탈리할 수 있고, 배플이 삽입되었을 때 상기 배플을 지지할 수 있는 형태이면 되고, 그 형상이 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 배플 결합부(112)는 도 13에 도시된 바와 같이, 튜브(110)의 길이 방향으로 연장되고, 내벽에서 외벽 방향으로 함몰된 홈 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 튜브 내벽에서 중공 방향을 향해 돌출된 지지 레일 등의 형태일 수도 있다. 상기 홈의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 홈은, 도 14에 도시된 바와 같이, 사각형의 단면을 갖거나, 도 15에 도시된 바와 같이, T자형의 단면을 갖는 것일 수 있으며, 도면에 도시되지는 않았으나, 반원형, 삼각형, 다각형 등의 단면을 갖는 것일 수도 있다.
상기와 같이 배플을 탈, 부착할 수 있는 배플 결합부(112)를 튜브(110) 내벽에 구비함으로써, 다양한 형태의 배플을 다양한 배치 형태로 튜브 내에 탈부착할 수 있어, 소성 조건이나 투입되는 원료의 종류 및 함량에 따라 최적의 효과를 낼 수 있는 배플을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 튜브 모듈(100)은 상기 배플 결합부(112)에 적어도 하나의 배플(114)이 결합된 것일 수 있다. 상기 배플(114)은 원료 물질의 균일한 혼합을 유도할 수 있는 것이면 되고, 그 형상이 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 배플(114)은, 도 16에 도시된 바와 같이 판상이나 십자 형상을 갖는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반원형이나, 삼각형 등 다양한 형태의 배플이 사용될 수 있다. 또한, 상기 배플 결합부(112)에 삽입되는 배플(114)의 말단은 배플 결합부(112)의 형상에 대응하는 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 배플 결합부(112)가 도 15에 도시된 바와 같이 T자형의 단면을 갖는 경우에는, 배플 결합부(112)에 삽입되는 배플(114)의 말단 역시 T자형의 단면을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 배플(114)은 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 배플(114)이 세라믹 재질로 이루어질 경우, 반응 원료와 반응하여 부식되거나, 원료 물질을 오염시키는 것을 방지할 수 있으며, 마이크로웨이브를 투과시킬 수 있다.
한편, 상기 배플(114)은 다양한 배치 형태로 튜브 모듈(100)에 적용될 수 있다. 도 17 내지 도 23에는 배플이 결합된 튜브의 구현예들이 도시되어 있다.
일 구현예에 따르면, 본 발명의 튜브(110)는, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 튜브(110)의 중심축을 기준으로 대칭되는 위치에 형성된 한 쌍 이상의 배플 결합부(112a)를 포함하고, 상기 한 쌍의 배플 결합부(112a)에 하나의 배플(114)이 결합된 것일 수 있다. 이때, 상기 배플(114)은 도 17에 도시된 바와 같이, 튜브(110)의 길이 방향에 평행한 방향으로 배치되도록 결합될 수도 있고, 도 18에 도시된 바와 같이 튜브(110)의 길이 방향에 수직한 방향으로 배치되도록 결합될 수도 있다.
다른 구현예에 따르면, 본 발명의 튜브(110)는, 도 19에 도시된 바와 같이, 상기 튜브(110)의 중심축을 기준으로 대칭되는 위치에 형성된 두 쌍의 배플 결합부(112a, 112b)를 포함하고, 상기 두 쌍의 배플 결합부에 단면이 십자 형태인 배플(114)이 결합된 것일 수 있다.
한편, 상기 도 17 ~ 19에서는 배플(114)이 튜브(110)의 내경에 대응되는 폭을 가지고, 튜브의 길이에 대응하는 길이를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 20에 도시된 바와 같이, 튜브(110)의 내경(R)보다 작은 폭(d)을 갖는 배플(114)을 적용할 수 있으며, 도 21에 도시된 바와 같이, 튜브의 길이(L)보다 짧은 길이(l)를 갖는 배플을 적용할 수도 있다.
한편, 상기 도 17 ~ 20에는, 튜브(110)에 하나의 배플(114)이 적용된 것을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 튜브(110)에 2개 이상의 배플들이 결합할 수도 있다. 도 21 ~ 23에는 2개 이상의 배플을 적용한 튜브의 구현예들이 도시되어 있다.
일 구현예에 따르면, 본 발명의 튜브(110)는, 도 21에 도시된 바와 같이, 배플 결합부(112)에 튜브의 내경(R)보다 작은 폭(d)을 갖고, 튜브의 길이(L)보다 작은 길이(l)을 갖는 판상의 배플(114)들을, 튜브의 길이 방향을 따라 일정한 간격을 두고 결합한 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 배플(114)들은 튜브의 내경(R)의 1/2 이하의 폭을 가지며, 튜브의 중심축을 기준으로 대칭되는 위치에 형성된 배플 결합부(112c, 112d), 즉, 도면 상 튜브의 상부에 위치한 배플 결합부(112c)와, 도면 상 튜브의 하부에 위치한 배플 결합부(112d) 각각에 1개 이상의 배플들이 결합된 것일 수 있다. 이때, 상기 상부 배플 결합부에 결합된 배플과 하부 배플 결합부에 결합된 배플은, 도 21에 도시된 바와 같이, 튜브의 길이 방향을 따라 서로 어긋나게 배치될 수도 있고, 대응되는 위치에 배치될 수도 있다.
다른 구현예에 따르면, 본 발명의 튜브(110)는, 배플 결합부에 2개 이상의 배플들을 서로 다른 배치로 결합한 것일 수 있다. 예를 들면, 도 22에 도시된 바와 같이, 튜브 내부의 일 영역에는 배플이 튜브의 길이 방향에 평행하게 배치되도록 록 결합하고, 튜브 내부의 다른 영역에서는 배플이 튜브의 길이 방향에 수직하게 배치되도록 결합할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 튜브(110)는, 배플 결합부(112c, 112d)에 2개 이상의 서로 다른 형상 및/또는 배치를 갖는 배플들(114a, 114b, 114c)을 결합한 것일 수 있다. 예를 들면, 도 23에 도시된 바와 같이, 튜브 내부의 일 영역에는 십자형의 배플을 결합하고, 튜브 내부의 다른 영역에는 판상형의 배플을 튜브의 길이 방향에 평행하게 배치되도록 결합하고, 튜브 내부의 또 다른 영역에서는 판상형의 배플을 튜브의 길이 방향에 수직하게 배치되도록 결합할 수 있다.
한편, 하나의 배플 결합부에 2개 이상의 배플을 적용될 경우, 필요에 따라, 배플 결합부(112c, 112d)에 상기 배플을 고정하기 위한 고정 부재(116)를 더 구비할 수 있다(도 21 참조). 상기 고정 부재(116)는 배플(114)의 위치를 고정하고, 배플(114) 사이의 이격 간격을 조절하는 역할을 수행한다. 구체적으로는, 상기 고정 부재(116)에 의해 배플(114)이 지지되어 배플이 좌우로 이동하는 것을 방지할 수 있으며, 고정 부재(116)의 길이에 따라 배플 간격을 조절할 수 있다. 또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 배플과 결합되지 않은 배플 결합부에도 고정 부재가 적용될 수 있다. 배플과 결합되지 않는 배플 결합부에 고정부재를 적용할 경우, 비어 있는 배플 결합부에 원료 물질이 끼는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배플이 적용된 튜브들의 구현예들을 설명하였으나, 본 발명에 따른 튜브 모듈은, 도면에 도시된 것으로 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상 및/또는 배치로 변형될 수 있다.
종래의 수평 회전식 소성로(rotary kiln)의 경우, 원료 투입량(loading volume)이 원료 투입량이 튜브의 10 부피%를 초과하면, 튜브 회전 시에 원료 물질들이 튜브 내벽을 따라 미끄러지면서 원료 혼합이 원활하게 이루어지지 않아 소성이 불균일하게 이루어지는 문제점이 발생하여, 투입 원료량이 한정적이고, 이로 인해 생산량 증가에 한계가 있었다. 그러나, 본 발명과 같이, 튜브 내부에 배플(114)이 배치될 경우, 배플(114)에 의해 튜브(110) 내부의 중공이 구획되고, 튜브 모듈 회전 시에 원료 물질들이 상기 배플(114)에 부딪혀 낙하하게 되기 때문에, 튜브 내벽을 따라 원료 물질들이 미끄러지는 현상이 감소하고, 원료 물질의 혼합이 활발하게 이루어지게 되며, 이로 인해 종래에 비해 원료 투입량이 많은 경우에도 균일한 소성이 이루어질 수 있다.
또한, 하나의 튜브에 형상 및/또는 배치가 다른 2개 이상의 배플들을 포함할 경우, 튜브 내의 소성 조건에 따라 원료의 혼합 정도를 다르게 함으로써, 소성 품질을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 승온이 이루어지는 튜브의 전단부에서는 폭이 짧은 배플을 여러 개 사용하거나, 십자형 배플과 같이 원료 물질과 접촉하는 면적이 큰 배플을 사용하여 원료 물질의 혼합이 활발하게 이루어질 수 있도록 하고, 하온이 이루어지는 튜브의 후단부에서는 상대적으로 원료 물질과의 접촉 면적이 작은 판상형 배플이나 폭이 짧은 배플을 사용하여 분진이나 소성품의 손상을 최소화할 수 있도록 할 수 있다.
[본 발명의 제6 실시예에 따른 튜브 조립체]
본 발명의 제6 실시예에 따른 튜브 조립체(10)는 도 6 내지 도 8에 도시되어 있는 것과 같이, 길이방향으로 배치되는 복수개의 튜브 모듈(100); 및 길이방향으로 배치된 복수개의 상기 튜브 모듈(100)을 연결되게 결합하는 결합부재(200)를 포함한다.
튜브 모듈
상기 튜브 모듈(100)은 중공이 형성되고 세라믹 재질로 이루어진 튜브(110), 상기 튜브(110)의 외주면을 감싸고 세라믹 재질로 이루어진 단열재(120), 상기 튜브(110)와 단열재(120) 사이에 구비되는 발열체(130), 상기 단열재(120)의 양쪽면 테두리를 따라 각각 구비되고 띠 형태로 이루어진 플랜지(140), 및 상기 단열재(120)의 강도를 보강하는 보강바(150)를 포함한다.
여기서 상기 튜브 모듈(100)은 제1 실시예 내지 제5실시예에서 설명한 튜브 모듈과 동일한 구성과 기능을 가지며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략한다.
결합부재
상기 결합부재(200)는 도 8에 도시되어 있는 것과 같이, 튜브 모듈 복수개를 길이방향으로 연결하기 위한 것으로, 상호 대응하는 튜브 모듈(100)의 플랜지(140)와 튜브 모듈(100)의 플랜지(140)를 결합하여 복수개의 튜브 모듈(100)을 길이방향으로 연결한다.
즉, 상기 결합부재(200)는 도 8을 참조하면, 상호 밀착되는 일측 튜브 모듈(100)의 플랜지(140)와 타측 튜브 모듈(100)의 플랜지(140)를 관통하는 결합볼트(210)와, 상기 타측 튜브 모듈(100)의 플랜지(140)를 관통한 결합볼트(210)에 결합되는 결합너트(220)를 포함하며, 상기 결합볼트(210)와 상기 결합너트(220)의 결합을 통해 복수개의 튜브 모듈(100)을 길이방향으로 연결할 수 있다.
특히 상호 면밀착되는 일측 튜브 모듈(100)와 타측 튜브 모듈(100) 사이에는 내열성을 가진 접착층(300)이 더 포함되며, 상기 접착층(300)은 상호 면밀착되는 일측 튜브 모듈(100)와 타측 튜브 모듈(100)의 접합력과 밀폐력을 크게 높일 수 있다.
따라서 상기와 같은 구조를 가진 본 발명의 제6 실시예에 따른 튜브 조립체(10)는 세라믹 소재인 튜브(110)와 단열재(120)를 포함한 모듈 튜브(110)를 수백 또는 수천 mm이상의 길이로 제작할 수 있고, 이에 따라 반응 원료인 양극 활물질의 대용량 처리가 가능한 튜브 모듈(100)을 구성할 수 있다.
[본 발명의 제7 실시예에 따른 양극 활물질 소성장치]
본 발명의 제7 실시예에 따른 양극 활물질 소성장치는 복수개의 튜브 모듈(100)과, 상기 튜브 모듈(100) 복수개를 길이방향으로 연결되게 결합하는 결합부재(200)를 구비한 튜브 조립체를 포함한다.
여기서 상기 튜브 모듈 조립체는 제6 실시예에서 설명한 튜브 조립체와 동일한 구성을 가지며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략한다.
상기 양극 활물질 소성 장치는 소성 시에 상기 튜브 모듈(100)의 길이 방향에 수평한 회전축으로 회전하는 수평 회전식 소성 장치일 수 있다.
본 발명에 따른 양극 활물질 소성장치는 세라믹 재질이 적용된 튜브 모듈 복수개가 길이방향으로 연결된 튜브 조립체를 적용함으로써 양극 활물질을 대량으로 처리할 수 있고, 그에 따라 작업효율성과 작업시간을 크게 단축할 수 있다. 특히 균일한 품질의 양극활물질을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 양극 활물질 소성장치는 튜브 및 단열재가 세라믹 재질로 이루어져 있기 때문에 마이크로웨이브 열원 적용이 가능하다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.

Claims (24)

  1. 중공이 형성되고, 세라믹 재질로 이루어진 튜브;
    상기 튜브의 외주면을 감싸고, 세라믹 재질로 이루어진 단열재; 및
    상기 단열재의 양쪽면 테두리를 따라 각각 구비되고, 띠 형태로 이루어진 플랜지를 포함하는 튜브 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 튜브와 상기 단열재 사이에는 상기 튜브의 외주면을 따라 배치되는 복수개의 발열체(Susceptor)가 더 포함되는 튜브 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 발열체는 상기 튜브의 길이방향 일측에서 타측까지 연결되도록 긴 바 형태를 가지는 튜브 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단열재는 양쪽면 테두리를 따라 형성되고 상기 플랜지가 삽입되는 삽입홈이 구비되는 튜브 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    외부로 노출된 상기 플랜지의 표면과 상기 단열재의 표면은 동일한 수평선 상에 위치하는 튜브 모듈.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 튜브의 외주면에는 복수개의 상기 발열체가 배치되는 배치부가 형성되는 튜브 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단열재의 외주면에 구비되고 상기 단열재의 강도를 보강하는 하나 이상의 보강바가 더 포함되는 튜브 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 보강바는 일면이 상기 단열재에 지지되고, 양쪽 단부가 상기 단열재의 양쪽면에 각각 구비된 플랜지에 각각 결합되는 튜브 모듈.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 플랜지 또는 상기 보강바는 금속 또는 세라믹 소재로 형성되는 튜브 모듈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 튜브는 중공이 일 방향으로 경사진 구조로 형성된 것인 튜브 모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 튜브는 길이 방향에 따른 내벽 두께가 증가하거나 감속하는 것인 튜브 모듈.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 튜브 모듈은 수평 회전식 소성로에 적용되며,
    상기 중공의 경사 각도가 상기 튜브 모듈을 상기 수평 회전식 소성로에 장착하였을 때 상기 튜브 모듈의 경사 각도보다 작은 것인 튜브 모듈.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 중공은 상기 튜브의 외벽에 대하여, 1° 내지 10°의 각도로 경사진 구조로 형성된 것인 튜브 모듈.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 튜브의 내벽에, 배플(baffle)이 탈부착될 수 있도록 형성된 적어도 하나의 배플 결합부를 포함하는 튜브 모듈.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 배플 결합부는 상기 튜브의 길이 방향으로 연장되고, 튜브 내벽에서 외벽 방향으로 함몰된 홈 형상인 튜브 모듈.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 배플 결합부에 적어도 하나의 배플이 결합된 튜브 모듈.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 배플 결합부에 배플을 고정하기 위한 고정 부재가 결합되는 튜브 모듈.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 튜브 내측에 형상 또는 배치 형태가 상이한 2개 이상의 배플이 결합된 튜브 모듈.
  19. 길이방향으로 배치되는 복수개의 튜브 모듈; 및
    길이방향으로 배치된 복수개의 상기 튜브 모듈을 연결되게 결합하는 결합부재를 포함하며,
    상기 튜브 모듈은 청구항 1 내지 18 중 어느 한 항의 튜브 모듈이며,
    상기 결합부재는 상호 대응하는 튜브 모듈의 플랜지와 튜브 모듈의 플랜지를 결합하여 상기 튜브 모듈 복수개를 길이방향으로 연결하는 튜브 조립체.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 튜브 모듈은, 단열재의 강도를 보강하는 보강바를 더 포함하는 튜브 조립체.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상호 대응하는 상기 튜브 모듈과 상기 튜브 모듈 사이에는 접착층이 더 포함되는 튜브 조립체.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 튜브는 일측에 주면을 따라 결합홈이 형성되고, 타측에 주면을 따라 결합돌기가 형성되며, 상기 결합홈과 상기 결합돌기를 통해 상호 대응하는 튜브 모듈의 튜브와 튜브 모듈의 튜브를 밀봉되게 연결하는 튜브 조립체.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 결합홈과 상기 결합돌기는 나사 결합방식을 통해 결합되는 튜브 조립체.
  24. 청구항 19에 따른 튜브 조립체를 포함하는 양극 활물질 소성장치.
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