WO2023085676A1 - 전극 슬러리 제어 장치 - Google Patents

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WO2023085676A1
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closing member
connection pipe
pipe
electrode slurry
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최바울
송동헌
최정식
신동욱
전신욱
최상훈
최현우
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • This specification relates to an electrode slurry control device.
  • lithium secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium ion polymer batteries, which have advantages such as high energy density, discharge voltage, and output stability.
  • a secondary battery has a structure including an electrode assembly having a stacked structure of a positive electrode, a negative electrode, and a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode.
  • the positive and negative electrodes are prepared by coating a slurry containing an active material on a substrate.
  • the slurry is supplied from the ink reservoir and moved to a coating device to be coated on a substrate.
  • a coating device to be coated on a substrate.
  • the supply can be continued, and when a pattern needs to be formed through the replacement of the substrate or the applied part and the uncoated part on the parasitic phase, it can be supplied intermittently.
  • the present specification is intended to provide an electrode slurry control device.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a main body provided with a receiving port for receiving electrode slurry from an external storage unit; A coating unit for discharging an electrode slurry onto a substrate; a supply pipe configured to supply the electrode slurry in the main body to the coating unit and connected to the main body through a first connection pipe having a first opening/closing member; a first circulation pipe configured to move a portion of the electrode slurry flowing into the main body to the storage unit and connected to the main body through a second connection pipe having a second opening and closing member; And a second circulation pipe configured to move a part of the electrode slurry in the main body to the storage unit and connected to the main body through a third connection pipe equipped with a third opening and closing member,
  • the average inner circumferential diameter of the second connection pipe is formed smaller than the average inner circumferential diameter of the first circulation pipe, and the average inner circumferential diameter of the third connection pipe is greater than the average inner circumferential diameter of the second connection pipe.
  • Electrode slurry control device is provided.
  • the second opening and closing member when the first opening and closing member closes the first connection pipe, the second opening and closing member opens the second connection pipe, or the third opening and closing member closes the third connection pipe.
  • the second opening and closing member and the third opening and closing member open the second connection pipe and the third connection pipe, respectively, and the first opening and closing member opens the first connection pipe, the second opening and closing member opens and closes the second connection pipe.
  • the member and the third opening/closing member are configured to close the second connecting pipe and the third connecting pipe, respectively.
  • the average inner circumferential diameter of the first connection pipe is smaller than the average inner circumferential diameter of the supply pipe, and the first opening and closing member has a conical shape, and the side surface of the cone facing the first connection pipe is formed. The diameter gradually decreases toward the first connecting tube side, and the cone angle is 110 degrees to 150 degrees.
  • the second opening and closing member has a conical shape, the diameter of the side surface of the cone facing the second connection pipe gradually decreases toward the second connection pipe, and the cone angle is 110 degrees to 150 degrees.
  • the third opening and closing member is a ball valve having a through hole, and the average diameter of the inner circumferential surface of the third connection pipe is the average diameter of the through hole.
  • the first circulation pipe and the second circulation pipe are connected so that the electrode slurry moving to the main body through the first circulation pipe and the electrode slurry moving to the main body through the second circulation pipe join. It further includes a connected confluence tube.
  • the electrode slurry control device can reduce the shear stress of the supplied electrode slurry.
  • the electrode slurry control device can uniformly control the loading amount of the supplied electrode slurry.
  • FIG. 1 is a cycle diagram of a conventional electrode slurry control device.
  • FIG. 2 is a perspective view of an electrode slurry control device according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG 3 is a cross-sectional view when the electrode slurry control device according to an exemplary embodiment of the present specification applies electrode slurry on a substrate.
  • FIG. 4 is a cycle diagram when the electrode slurry control device according to an exemplary embodiment of the present specification does not apply electrode slurry on a substrate for a long period of time.
  • FIG 5 is a cycle diagram when the electrode slurry control device according to an exemplary embodiment of the present specification does not instantaneously apply electrode slurry on a substrate during intermittent coating (pattern coating).
  • FIG. 6 is a cycle diagram when the electrode slurry control device according to another embodiment of the present specification does not apply electrode slurry on a substrate for a long period of time.
  • FIG. 7(a) is a case in which the cone valve is provided as an opening/closing member in the normal position of the cone valve in the electrode slurry control device according to an exemplary embodiment of the present specification
  • FIG. 7(b) is a case in which the cone valve is provided in the reverse position.
  • Figure 8 (a) shows the change in flow rate in the connecting pipe provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 90 degrees
  • Figure 8 (b) is a connection provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 120 degrees. is the flow rate change in the tube.
  • Figure 9 (a) is the shear stress change in the connecting pipe provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 90 degrees
  • Figure 9 (b) is provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 120 degrees is the shear stress change in the connector.
  • Figure 10 (a) is the pressure change in the connecting pipe provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 90 degrees
  • Figure 10 (b) is a connection provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 120 degrees. is the pressure change in the tube.
  • Figure 11 (a) shows the change in flow velocity in a connecting pipe provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 90 degrees
  • Figure 11 (b) is a connection provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 120 degrees. is the flow rate change in the tube.
  • Figure 12 (a) is the shear stress change in the connecting pipe provided with a cone valve provided in the reverse position and the cone angle of 90 degrees
  • Figure 12 (b) is provided with a cone valve provided in the reverse position and cone angle of 120 degrees is the shear stress change in the connector.
  • FIG. 13(a) is a pressure change in a connecting pipe provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 90 degrees
  • FIG. 13(b) is a connection provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 120 degrees. is the pressure change in the tube.
  • FIG. 14 is a change in flow rate of slurry in the conventional electrode slurry control device of FIG. 1 when the first opening/closing member is closed and the second opening/closing member is open during a disposition during a coating interruption period.
  • FIG. 15 is a change in shear stress applied to the slurry in the conventional electrode slurry control device of FIG. 1 when the first opening and closing member is closed and the second opening and closing member is open during a coating interruption period.
  • FIG. 16 is a change in static pressure of the slurry in the conventional electrode slurry control device of FIG. 1 when the first opening/closing member is closed and the second opening/closing member is open during a disposition during a coating interruption period.
  • FIG. 17 is a flow rate change of slurry in the novel slurry control device of FIG. 6 when the first opening and closing member is closed and the second and third opening and closing members are open during a long-term coating suspension period.
  • FIG. 18 is a change in shear stress of the slurry in the novel slurry control device of FIG. 6 when the first opening and closing member is closed and the second opening and closing member and the third opening and closing member are open during an extended coating suspension period. .
  • FIG. 19 is a change in static pressure of the slurry in the novel slurry control device of FIG. 6 when the first opening and closing member is closed and the second and third opening and closing members are open during a long-term coating suspension period.
  • FIG. 2 is a perspective view of an electrode slurry control device 100 according to an exemplary embodiment of the present specification
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the electrode slurry control device 100 according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • the electrode slurry control device 100 includes a main body 10, a supply pipe 20, a first circulation pipe 30 and a second circulation pipe 40.
  • a receiving port 11 formed to receive the electrode slurry from a storage unit (not shown) in which the electrode slurry is stored is formed at its end.
  • the first connector 22 connected to the first opening 12 of the main body 10 is opened and closed by the first opening and closing member 21 and discharges the electrode slurry in the main body 10 onto the substrate Coating It is supplied through the supply pipe 20 as a part.
  • the second connection pipe 32 connected to the second opening 13 of the main body 10 is opened and closed by the second opening and closing member 31, and when opened, the electrode slurry in the main body 10 passes through the first circulation pipe 30. through to the storage unit.
  • the third connection pipe 42 connected to the third opening 14 of the main body 10 is opened and closed by the third opening and closing member 41, and when opened, the electrode slurry in the main body 10 passes through the second circulation pipe 40. through to the storage unit.
  • a supply pipe 20 coupled to a coating unit (not shown) for coating a substrate is formed,
  • a first circulation pipe 30 connected to the storage unit and circulating the electrode slurry back to the external storage unit is formed in the second opening 13 of the main body 10 .
  • the body 10, the supply pipe 20, and the first circulation pipe 30 may each be formed in a cylindrical tube shape, and each average diameter and shape can be freely designed according to the needs of the designer, so Change is possible.
  • the substrate is not particularly limited as long as it can coat the electrode, but the substrate may be a current collector, specifically, a metal foil, and may be a foil made of copper, aluminum, or a combination thereof.
  • the electrode slurry applied by the coating unit may include an electrode active material, a binder, and a solvent.
  • the electrode active material is not particularly limited as long as it is used for a positive electrode or a negative electrode of a battery, but in the case of a positive electrode, LCO (LiCoO 2 ), NCM (Li(NiCoMn)O 2 ), NCA (Li(NiCoAl)O 2 ), LMO ( LiMn 2 O), LFP (LiFePO 4 ), and the like, and in the case of a negative electrode, it may be Carbon (graphite).
  • LCO LiCoO 2
  • NCM Li(NiCoMn)O 2
  • NCA Li(NiCoAl)O 2
  • LMO LiMn 2 O
  • LFP LiFePO 4
  • the binder is not particularly limited as long as it can aggregate the electrode active material, and may be selected from binders used in the art.
  • the solvent is not particularly limited as long as it can impart fluidity to the electrode slurry, but may be water, N-methyl pyrrolidone, or the like.
  • the supply pipe 20 is connected to the main body 10 through a first connection pipe 22 . Therefore, the first connection pipe 22 is located between the supply pipe 20 and the main body 10, and the average inner circumferential diameter r1 of the first connection pipe 22 is the average inner circumferential diameter R1 of the supply pipe 20 formed smaller.
  • the average diameter of the outer circumference of the first connection pipe 22 may be formed equal to the average diameter of the outer circumference of the supply pipe 20 for convenience and stability of coupling between the first connection pipe 22 and the supply pipe 20. there is.
  • the first connection pipe 22 may be formed of a metal material having a certain rigidity, and any material may be used as long as it can withstand the pressure caused by the supply of the electrode slurry.
  • the first circulation pipe 30 is connected to the main body 10 through the second connection pipe 32 . Therefore, the second connection pipe 32 is located between the first circulation pipe 30 and the main body 10, and the average inner circumferential diameter r2 of the second connection pipe 32 is that of the first circulation pipe 30.
  • the inner circumferential surface is formed smaller than the average diameter R2.
  • the average outer circumferential diameter of the first circulation pipe 30 is the average diameter of the outer circumferential surface of the first circulation pipe 30 for convenience and stability of coupling between the second connection pipe 32 and the first circulation pipe 30. can be formed in the same way as
  • the second connection pipe 32 may be formed of a metal material having a certain rigidity, and any material may be used as long as it can withstand the pressure caused by the supply of the electrode slurry.
  • the second circulation pipe 40 is connected to the main body 10 through a third connection pipe 42 . Therefore, the third connection pipe 42 is located between the supply pipe 20 and the body 10.
  • the second circulation pipe 40 includes a third opening/closing member 41, and an average inner circumferential diameter of the third connecting pipe 42 is an average diameter of a hole opened by the third opening/closing member 41.
  • the third opening/closing member 41 may be a ball valve having a through hole
  • the average diameter r3 of the inner circumferential surface of the third connection pipe 42 may be the average diameter r3 of the through hole.
  • the average inner circumferential diameter r3 of the third connection pipe 42 is smaller than or equal to the average inner circumferential diameter R3 of the second circulation pipe 40 .
  • the average outer circumferential diameter of the third connection pipe 42 is the average outer circumferential diameter of the second circulation pipe 40 for convenience and stability of coupling between the third connection pipe 42 and the second circulation pipe 40.
  • the average diameter of the end of the third connection pipe 42 coupled to the second circulation pipe 40 is the average outer circumference of the second circulation pipe 40.
  • the average diameter of the outer circumferential surface of the portion provided with the third opening and closing member 41 may be greater than the average diameter of the outer circumferential surface of the second circulation pipe 40 .
  • the third connection pipe 42 may be formed of a metal material having a certain rigidity, and any material may be used as long as it can withstand the pressure caused by the supply of the electrode slurry.
  • a first opening/closing member 21 formed to open and close the first connection pipe 22 is formed inside the supply pipe 20, and inside the first circulation pipe 30 to open and close the second connection pipe 32.
  • a second opening and closing member 31 is formed.
  • the second opening and closing member 31 may be formed in the same shape as the first opening and closing member 21, and the second opening and closing member 31 may have a different size and average diameter than the first opening and closing member 21, but Since the first opening/closing member 21 can open and close the second connector 32 on the same principle as the principle of opening and closing the first connector 22, duplicate descriptions will be omitted.
  • the first opening/closing member 21 has a conical side surface 23 facing the first connection pipe 22, and is formed by the conical side surface 23 facing the first connection pipe 22, in detail. If the cone to be is called a first cone, a second cone side surface 24 positioned to correspond to the opposite side of the first cone may be formed.
  • the first opening and closing member 21 has a conical shape in which the diameter of the conical side surface 23 facing the first connection pipe 22 gradually decreases outward, and may be a cone valve.
  • the conical side surface 23 and the second conical side surface 24 each have a conical shape whose diameter gradually decreases outward.
  • the side face of the cone means a curved surface connecting the vertex of the cone shape and the circle of the base.
  • the first opening and closing member 21 has a conical shape or a shape in which the bottom surfaces of two identical cones are joined.
  • the conical shape of the side surface 23 of the cone and the shape of the conical shape of the side surface 24 of the second cone have a mutually symmetrical structure.
  • the second conical side surface 24 of the first opening and closing member 21 may be formed sharp in a conical shape, or the vertex may be rounded.
  • the circular angle of the first opening and closing member 21 may be 110 degrees to 150 degrees. Specifically, it may be 110 degrees to 140 degrees, 110 degrees to 130 degrees, or 115 degrees to 125 degrees. Preferably, the circular angle of the first opening and closing member 21 may be 120 degrees.
  • the pressure of the electrode slurry applied to the first opening and closing member 21 is reduced to prevent malfunction, It is possible to minimize the amount of electrode slurry being pushed up the side surface 24 of the second cone, and it is possible to prevent a region having a large coating amount locally in the initial stage of coating.
  • the first opening/closing member 21 may be formed by bonding the bottom surfaces of two identical cones, or may be manufactured in a shape in which the bottom surfaces of the same two cones are joined from the beginning without bonding.
  • the first opening and closing member 21 may be formed in a shape in which two cones having different average diameters are selectively combined according to the type, viscosity, and other characteristics of the electrode slurry.
  • the material of the first opening and closing member 21 has no permeability so as to completely block the electrode slurry flowing into the supply pipe 20 through the first connection pipe 22, and may be formed to have a certain rigidity. More specifically, it may be made of a metal material, but is not limited thereto.
  • first opening and closing member 21 further includes a first connecting member 25 connected to the driving unit (not shown), and the second opening and closing member 31 is a second connecting member connected to the driving unit (not shown). (26) is further included.
  • the first connecting member 25 and the second connecting member 26 each have a bar shape, and as power is transmitted to the first connecting member 25 and the second connecting member 26 by the driving unit, The first opening and closing member 21 and the second opening and closing member 31 may be moved.
  • the first connecting member 25 and the second connecting member 26 are formed to have rigidity enough to withstand the pressure caused by the electrode slurry formed inside the main body 10, and in detail, made of a metal material. can be formed
  • the thicknesses of the first connection member 25 and the second connection member 26 may be formed to be very small compared to the average diameters of inner peripheral surfaces of the first connection pipe 22 and the second connection pipe 32 . This is to prevent the first connection member 25 and the second connection member 26 from occupying a lot of volume inside the first connection pipe 22 and the second connection pipe 32, and at the same time, the first connection member ( 25) and the second connecting member 26 to minimize the influence on the movement of the electrode slurry.
  • FIG. 3 is an operating state diagram showing a state in which the supply pipe 20 of the electrode slurry control device is opened and the first circulation pipe 30 and the second circulation pipe 40 are closed
  • FIG. 4 shows an electrode slurry control An operating state diagram showing a state in which the supply pipe 20 and the first circulation pipe 30 of the device are closed and the second circulation pipe 40 is opened is shown
  • FIG. 5 the supply pipe 20 of the electrode slurry control device and an operating state diagram showing a state in which the second circulation pipe 40 is closed and the first circulation pipe 30 is opened.
  • FIG. 6 the supply pipe 20 of the electrode slurry control device is closed, and the first An operating state diagram showing a state in which the second circulation pipe 40 is opened together with the circulation pipe 30 is shown.
  • the first opening and closing member 21 is formed to open and close the first connection pipe 22 by the first connecting member 25 connected to the driving unit (not shown),
  • the second opening/closing member 31 is formed to open and close the second connection pipe 32 by the connecting member 26 .
  • the third opening/closing member 41 is a ball valve having a through hole 44, and a ball 43 having a through hole 44 is provided in the third connection pipe 42 and the outside of the ball 43.
  • the ball 43 can be rotated by the valve 45 coupled to the surface. As shown in FIGS. 4 and 6, when the through hole 44 is positioned so as to be connected to the second circulation pipe 40 by the rotation of the ball 43, it is opened, and as shown in FIGS. 3 and 5 , If the through hole 44 is not connected to the second circulation pipe 40 by the rotation of the ball, it is closed.
  • the second opening and closing member 31 opens at least one of the second connection pipe 32 and the third connection pipe 41.
  • the first opening/closing member 21 opens the first connecting pipe 22
  • the second opening/closing member 31 closes the second connecting pipe 32
  • the third opening/closing member 41 opens the first connecting pipe 22. 3 It is configured to close the connecting pipe 42.
  • the conical side surface 23 of the first opening/closing member 21 is in close contact with and drawn in to the first connector 22, and is drawn in in close contact with the first connecting pipe 22.
  • the connecting pipe 22 is closed. In this way, the position of the first opening/closing member 21 when the movement of the electrode slurry to the supply pipe 20 is blocked may be defined as the “first position”.
  • the conical side surface 23 of the first opening/closing member 21 is completely pulled out from the first connection pipe 22, and in this way, the first connection pipe 22 is opened so that the electrode slurry A position of the first opening/closing member 21 when it is movable through the supply pipe 20 may be defined as a “second position”.
  • the second opening and closing member 31 is pulled in so as to come into close contact with the second connection pipe 32, and the second connection pipe 32 is closed.
  • the position may be defined as a “third position”, and as shown in FIGS. 5 and 6, the second opening and closing member 31 is completely pulled out of the second connection pipe 32 and the second connection pipe 32 is opened.
  • a position of the second opening/closing member 31 in the closed state may be defined as a “fourth position”.
  • the first position of the first opening and closing member 21 corresponds to the third position of the second opening and closing member 31
  • the second position of the first opening and closing member 21 corresponds to the third position of the second opening and closing member 31. It can correspond to 4 positions.
  • the third opening and closing member 41 is pulled in so as to come into close contact with the third connection pipe 42, and the third connection pipe 42 is closed.
  • the position may be defined as a “fifth position”, and as shown in FIGS. 4 and 6, the third opening and closing member 41 is rotated and the third connection pipe 42 is opened.
  • the position of (41) can be defined as "the sixth position”.
  • the first opening and closing member 21 moves toward the first connector 22 side, and then the conical side surface of the first opening and closing member 21 ( 23) is located in the first position drawn into the first connection pipe 22, and the second opening and closing member 31 moves toward the opposite side of the second connection pipe 32, and then the second opening and closing member 31
  • the conical side face (23) of the is located in the fourth position fully withdrawn from the second connector (32).
  • the third opening and closing member 41 may be located in a fifth position in a closed state as shown in FIG. 5 or in a sixth position in an open state as shown in FIG. 6 .
  • the second and third connector pipes 42 are formed in a completely closed state (third position and fifth position), At this time, a coating portion is formed on the substrate.
  • the first connector 22 is in a completely closed state (first position)
  • the second connector 32 is formed in a completely open state (fourth position)
  • the third connector 42 is an selectively passed state. At this time, an uncoated portion may be formed on the substrate.
  • first opening and closing member 21 and the second opening and closing member 31 reciprocate and move in opposite directions at high speed, and the coated portion and the uncoated portion on the substrate are intermittently controlled only by the control of the opening and closing member without complicated control of the slurry supply pump. can be formed into
  • the electrode slurry control device 100 has a first circulation pipe 30 in addition to the supply pipe 20 so that the electrode slurry continues to circulate through the main body 10 even when an uncoated portion is formed on the substrate, thereby supplying the slurry Even if the operation of the pump is not stopped, the pressure applied to the main body 10 can be reduced.
  • the properties of the electrode slurry passing through the second connector 32 may change and adversely affect the electrode coating quality. This is due to the shapes of the second opening/closing member 31 and the second connecting pipe 32 that apply a large shear stress to the slurry.
  • Shear stress is an essential factor in dispersing the slurry in the mixing process, which is a step before the coating process. However, after the slurry is completed through the mixing process, it is necessary to minimize the shear stress. If additional unintended shear forces occur after the mixing process, two problems may occur.
  • the viscosity (viscosity curve) of the slurry changes.
  • the viscosity gradient in the viscosity curve affects the interface shape of the slurry applied to the substrate. If the coating interface is not managed, the proper ratio of the positive and negative electrodes in the finished lithium-ion battery may be broken, resulting in a fire due to lithium precipitation.
  • An object of the present invention is to add a second circulation pipe 40 to prevent the above problem, so that the slurry avoids the second opening and closing member 31 and the second connection pipe 32 that apply a large shear stress to the slurry. and to further improve the shapes of the first opening/closing member 21, the first connecting pipe 22, the second opening/closing member 31, and the second connecting pipe 32 to minimize shear stress.
  • the third connection pipe 42 is changed to a completely open state (the sixth position). Due to this, the slurry avoids the second opening/closing member 31 and the second connection pipe 32 and receives less shear stress, thereby preventing a change in physical properties.
  • the third connection pipe 42 can be opened by opening the third opening and closing member 41, but the first opening and closing member 21 and the second opening and closing member 21 can be opened and closed at high speed during intermittent (pattern coating).
  • the slurry should be controlled only by the member 31 and the third connection pipe 42 should be closed. Therefore, when the coating is momentarily stopped during intermittent coating, the slurry must inevitably pass through the second opening and closing member 31 and the second connection pipe 32, and when the coating proceeds, the slurry passes through the first opening and closing member 21 and the first connection pipe 22 must pass inevitably.
  • the present invention minimizes the shear stress received by the slurry by making the cone angle of the corresponding opening and closing member 110 to 150 degrees to prevent the change in physical properties of the slurry.
  • Flow analysis was performed to verify the effect of the present invention in minimizing the shear stress received by the slurry by making the cone angle of the opening and closing subtitles 110 to 150 degrees.
  • the conventional 90 degree conical opening and closing member and the 120 degree opening and closing member of the present invention were compared and analyzed.
  • the specific flow analysis method is as follows.
  • As the working fluid one of the anode slurries used in LG Energy Solutions cylindrical batteries was used.
  • the viscosity curve of the slurry was obtained by actually measuring it with a viscometer, and then curve fitting with the Carreau-Yasuda model was input into the flow analysis program. Parameters such as slurry density and flow rate, valve size and stroke (valve opening degree) were also selected to reflect the actual coating process well.
  • the analysis was conducted in a steady state and a turbulent flow model was used.
  • the analysis tool used was Siemens' STAR-CCM+. The results are shown in Figures 8 and 11.
  • Figure 8 (a) shows the change in flow rate in the connecting pipe provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 90 degrees
  • Figure 8 (b) is a connection provided with a cone valve provided in the correct position and having a cone angle of 120 degrees. is the flow rate change in the tube.
  • Figure 11 (a) shows the change in flow velocity in a connecting pipe provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 90 degrees
  • Figure 11 (b) is a connection provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 120 degrees. is the flow rate change in the tube.
  • FIG. 9 (a) is a shear stress change in a connecting pipe equipped with a cone valve provided in a normal position and having a cone angle of 90 degrees
  • FIG. 9 (b) is a cone valve provided in a normal position and having a cone angle of 120 degrees.
  • Figure 12 (a) is the shear stress change in the connecting pipe provided with the cone valve provided in the reverse position and the cone angle is 90 degrees
  • Figure 12 (b) is the cone valve provided in the reverse position and the cone angle is 120 degrees It is the shear stress change in the provided connector.
  • FIG. 10 (a) is a pressure change in a connecting pipe provided with a cone valve provided in a normal position and having a cone angle of 90 degrees
  • FIG. 10 (b) is a cone valve provided in a normal position and having a cone angle of 120 degrees. It is the pressure change in the provided connection pipe.
  • FIG. 13 (a) is a pressure change in a connecting pipe provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 90 degrees
  • FIG. 13 (b) is provided with a cone valve provided in a reverse position and having a cone angle of 120 degrees. is the pressure change in the connected pipe.
  • This experiment shows the effect of the existing piping system, in which the second circulation pipe 40 and the third opening and closing member 41 are not installed, on the slurry through flow analysis.
  • As the opening and closing member a conventional 90-degree cone angle valve was used.
  • the analysis region is a piping system in which the first opening/closing member 21 is closed and the second opening/closing member 31 is open (coating interruption period). Except for the analysis area, the rest of the flow analysis method is the same as in Experimental Example 1.
  • the results are shown in FIGS. 14, 15 and 16. 14, 15 and 16 show flow velocity distribution, shear stress distribution, and static pressure distribution, respectively.
  • the contour graph of FIG. 14 shows that a large flow rate occurs near the second opening and closing member during the coating interruption period.
  • 15 shows that a large shear stress is generated in the vicinity of the second opening and closing member.
  • 16 shows that the second opening and closing member causes most of the pressure loss.
  • This experiment shows the effect of the slurry control device having the second circulation pipe 40 and the third opening and closing member 41 on the slurry through flow analysis.
  • it is a piping system in which the first opening and closing member 21 is closed and the second opening and closing member 31 is open (coating interruption period).
  • the second circulation pipe 40 is added and the third opening/closing member 41 is open so that the slurry can avoid the second opening/closing member 31.
  • the rest of the flow analysis method is the same as in Experimental Example 4.
  • the analysis results are shown in Figs. 17, 18 and 19. 17, 18 and 19 show flow velocity distribution, shear stress distribution, and static pressure distribution, respectively.
  • FIG. 17 shows that most of the slurry flows through the second circulation pipe 40 and bypasses the second opening and closing member 31 .
  • FIG. 18 shows that shear stress is reduced in the vicinity of the second opening and closing member when compared to FIG. 15 .
  • FIG. 19 shows that the pressure loss is significantly reduced (28.22 kPa ⁇ 12.01 kPa) compared to FIG. 16.
  • the slurry control device having the second circulation pipe 40 and the third opening and closing member 41 reduces the shear stress applied to the slurry and lowers the pressure loss of the piping system.

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Abstract

본 명세서는 외부의 저장부에서 전극 슬러리를 공급받는 수용구가 구비되어 있는 본체; 기재 상으로 전극 슬러리를 토출하는 코팅부; 상기 본체 내의 전극 슬러리를 코팅부로 공급시키도록 구성되고, 제1 개폐 부재가 구비된 제1 연결관을 통해 본체에 연결되는 공급관; 상기 본체로 유입된 전극 슬러리의 일부를 상기 저장부로 이동시키도록 구성되고, 제2 개폐 부재가 구비된 제2 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 제1 순환관; 및 상기 본체 내의 전극 슬러리의 일부를 상기 저장부로 이동시키도록 구성되고, 제3 개폐 부재가 구비된 제3 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 제2 순환관을 포함하며, 상기 제2 연결관의 내주면 평균직경은, 상기 제1 순환관의 내주면 평균직경보다 작게 형성되고, 상기 제3 연결관의 내주면 평균직경은 상기 제2 연결관의 내주면 평균직경보다 큰 것인 전극 슬러리 제어 장치에 관한 것이다.

Description

전극 슬러리 제어 장치
본 출원은 2021년 11월 12일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0155725호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 전극 슬러리 제어 장치에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되어 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력 저장장치에 관심도 크다.
특히 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 수요에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 얇은 두께를 가지며 휴대폰 등과 같은 제품들에 적용될 수 있는 각형 이차전지와 파우치형 이차전지에 대한 수요가 높다. 재료 면에서는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
일반적으로 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 위치하는 분리막이 적층된 구조의 전극 조립체를 포함하는 구조이다. 상기 양극 및 음극은 기재 상에 활물질을 포함하는 슬러리를 코팅함으로써 제조된다.
상기 슬러리는 잉크 저장부로부터 공급되어 코팅 장치로 이동하여 기재 상에 코팅된다. 연속된 코팅을 하는 경우, 공급을 연속하고, 기재의 교체, 기생 상에 도포부와 미도포부를 통한 패턴을 형성해야 하는 경우, 간헐적으로 공급할 수 있다.
이때, 슬러리를 일시적으로 연속적으로 공급하고, 필요시 중단하기 위해서는 공급과 중단을 제어할 수 있는 수단이 필요하며, 보다 정교한 패턴이 필요한 경우 공급과 중단의 제어도 정교해져야 한다.
본 명세서는 전극 슬러리 제어 장치를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 외부의 저장부에서 전극 슬러리를 공급받는 수용구가 구비되어 있는 본체; 기재 상으로 전극 슬러리를 토출하는 코팅부; 상기 본체 내의 전극 슬러리를 코팅부로 공급시키도록 구성되고, 제1 개폐 부재가 구비된 제1 연결관을 통해 본체에 연결되는 공급관; 상기 본체로 유입된 전극 슬러리의 일부를 상기 저장부로 이동시키도록 구성되고, 제2 개폐 부재가 구비된 제2 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 제1 순환관; 및 상기 본체 내의 전극 슬러리의 일부를 상기 저장부로 이동시키도록 구성되고, 제3 개폐 부재가 구비된 제3 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 제2 순환관을 포함하며,
상기 제2 연결관의 내주면 평균직경은, 상기 제1 순환관의 내주면 평균직경보다 작게 형성되고, 상기 제3 연결관의 내주면 평균직경은 상기 제2 연결관의 내주면 평균직경보다 큰 것인 전극 슬러리 제어 장치를 제공한다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상기 제1 개폐 부재가 상기 제1 연결관을 폐쇄할 때, 상기 제2 개폐 부재가 상기 제2 연결관을 개방하거나, 상기 제3 개폐 부재가 상기 제3 연결관을 개방하거나, 상기 제2 개폐 부재 및 상기 제3 개폐 부재가 각각 상기 제2 연결관 및 상기 제3 연결관을 개방시키고, 상기 제1 개폐 부재가 상기 제1 연결관을 개방할 때 상기 제2 개폐 부재 및 상기 제3 개폐 부재는 각각 상기 제2 연결관 및 상기 제3 연결관을 폐쇄시키도록 구성된다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상기 제1 연결관의 내주면 평균직경은, 상기 공급관의 내주면 평균직경보다 작게 형성되고, 상기 제1 개폐 부재는 원추 형상이며, 상기 제1 연결관에 대면하는 원추 옆면의 직경이 제1 연결관 측으로 점차적으로 감소하고, 원추각이 110도 내지 150도이다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상기 제2 개폐 부재는 원추 형상이며, 상기 제2 연결관에 대면하는 원추 옆면의 직경이 제2 연결관 측으로 점차적으로 감소하고, 원추각이 110도 내지 150도이다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상기 제3 개폐 부재는 관통홀이 구비된 볼밸브이며, 상기 제3 연결관의 내주면 평균직경은 상기 관통홀의 평균직경이다.
본 명세서의 다른 실시상태는 상기 제1 순환관을 통해 본체로 이동하는 전극 슬러리와 상기 제2 순환관을 통해 본체로 이동하는 전극 슬러리가 합류되도록, 상기 제1 순환관과 상기 제2 순환관이 연결된 합류관을 더 포함한다.
본 명세서는 전극 슬러리 제어 장치는 공급되는 전극 슬러리의 전단응력을 감소시킬 수 있다.
본 명세서는 전극 슬러리 제어 장치는 공급되는 전극 슬러리의 로딩량을 균일하게 제어할 수 있다.
도 1은 종래 전극 슬러리 제어 장치의 순환도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치의 사시도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치가 기재 상에 전극 슬러리를 도포할 때의 단면도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치가 기재 상에 전극 슬러리를 장기간 도포하지 않을 때의 순환도이다.
도 5는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치가 간헐 코팅(패턴 코팅) 중 기재 상에 전극 슬러리를 순간적으로 도포하지 않을 때의 순환도이다.
도 6은 본 명세서의 또 다른 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치가 기재 상에 전극 슬러리를 장기간 도포하지 않을 때의 순환도이다.
도 7(a)는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치에서, 개폐 부재로서 콘밸브 정위치에 구비된 경우이며, 도 7(b)는 콘밸브가 역위치에 구비된 경우이다.
도 8(a)는 정위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이고, 도 8(b)는 정위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이다.
도 9(a)는 정위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이고, 도 9(b)는 정위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이다.
도 10(a)는 정위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이고, 도 10(b)는 정위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이다.
도 11(a)는 역위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이고, 도 11(b)는 역위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이다.
도 12(a)는 역위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이고, 도 12(b)는 역위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이다.
도 13(a)는 역위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이고, 도 13(b)는 역위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이다.
도 14는 도 1의 종래 전극 슬러리 제어 장치에서, 제1 개폐 부재가 닫히고 제2 개폐 부재가 열린 코팅 중단 기간 동안의 배치 상태일 때, 슬러리 유속변화이다.
도 15는 도 1의 종래 전극 슬러리 제어 장치에서, 제1 개폐 부재가 닫히고 제2 개폐 부재가 열린 코팅 중단 기간 동안의 배치 상태일 때, 슬러리에 가해지는 전단응력(shear stress) 변화이다.
도 16는 도 1의 종래 전극 슬러리 제어 장치에서, 제1 개폐 부재가 닫히고 제2 개폐 부재가 열린 코팅 중단 기간 동안의 배치 상태일 때, 슬러리의 정압(static pressure) 변화이다.
도 17은 도 6의 신규 슬러리 제어 장치에서, 제1 개폐 부재가 닫히고 제2 개폐 부재와 제3 개폐 부재가 열린 코팅 장기 중단 기간 동안의 배치 상태일 때, 슬러리의 유속변화이다.
도 18은 도 6의 신규 슬러리 제어 장치에서, 제1 개폐 부재가 닫히고 제2 개폐 부재와 제3 개폐 부재가 열린 코팅 장기 중단 기간 동안의 배치 상태일 때, 슬러리의 전단응력(shear stress) 변화이다.
도 19은 도 6의 신규 슬러리 제어 장치에서, 제1 개폐 부재가 닫히고 제2 개폐 부재와 제3 개폐 부재가 열린 코팅 장기 중단 기간 동안의 배치 상태일 때, 슬러리의 정압(static pressure) 변화이다.
<부호의 설명>
100: 전극 슬러리 제어 장치
10: 본체 11: 수용구
12: 제1 개구 13: 제2 개구
14: 제3 개구
20: 공급관
21: 제1 개폐 부재 22: 제1 연결관
23: 원추 옆면
24: 제2 원추 옆면
25: 제1 연결 부재
26: 제2 연결 부재
30: 제1 순환관
31: 제2 개폐 부재 32: 제2 연결관
40: 제2 순환관
41: 제3 개폐 부재 42: 제3 연결관
43: 볼 44: 관통홀
45: 밸브
50: 합류관
60: 저장부
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치(100)의 사시도이고, 도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 전극 슬러리 제어 장치(100)의 단면도이다.
전극 슬러리 제어 장치(100)는 본체(10), 공급관(20), 제1 순환관(30) 및 제2 순환관(40)을 포함한다.
본체(10)에는, 전극 슬러리가 저장된 저장부(미도시)로부터 전극 슬러리를 공급받도록 형성되는 수용구(11)가 그 단부에 형성된다. 또한, 본체(10) 중 제1 개구(12)에 연결된 제1 연결관(22)은 제1 개폐 부재(21)에 의해 개폐되고 개방시 본체(10) 내의 전극 슬러리를 기재 상으로 토출하는 코팅부로 공급관(20)을 통해 공급한다. 본체(10) 중 제2 개구(13)에 연결된 제2 연결관(32)은 제2 개폐 부재(31)에 의해 개폐되고 개방시 본체(10) 내의 전극 슬러리를 제1 순환관(30)을 통해 저장부로 이동시킨다. 본체(10) 중 제3 개구(14)에 연결된 제3 연결관(42)은 제3 개폐 부재(41)에 의해 개폐되고 개방시 본체(10) 내의 전극 슬러리를 제2 순환관(40)을 통해 저장부로 이동시킨다.
기재를 코팅하기 위한 코팅부(미도시)와 결합되는 공급관(20)이 형성되고,
본체(10)의 제2 개구(13)에는 저장부로 연결되어 전극 슬러리를 다시 외부의 저장부로 순환시키는 제1 순환관(30)이 형성된다.
이 때, 본체(10), 공급관(20) 및 제1 순환관(30)은 각각 원통형의 관 형상으로 형성될 수 있으며, 각각의 평균직경 및 형상은 설계자의 필요에 따라 자유롭게 설계될 수 있으므로 자유롭게 변경이 가능하다.
이때, 기재는 전극을 코팅할 수 있다면 특별히 한정하지 않으나, 상기 기재는 집전체일 수 있고, 구체적으로 금속 호일일 수 있으며, 구리, 알루미늄 또는 이들이 조합된 재질의 호일일 수 있다.
코팅부에 의해 도포되는 전극 슬러리는 전극 활물질, 바인더 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 전극 활물질은 전지의 양극 또는 음극에 사용되는 물질이라면 특별히 한정하지 않으나, 양극의 경우 LCO (LiCoO2), NCM (Li(NiCoMn)O2), NCA (Li(NiCoAl)O2), LMO (LiMn2O), LFP (LiFePO4) 등일 수 있고 음극의 경우 Carbon(흑연) 등일 수 있다.
상기 바인더는 전극 활물질을 응집시킬 수 있다면 특별히 한정하지 않고, 당 기술분야에서 사용되는 바인더 중에서 선택할 수 있다.
상기 용매는 전극 슬러리의 유동성을 부여할 수 있다면 특별히 한정하지 않으나, 물, N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidone) 등일 수 있다.
공급관(20)은 제1 연결관(22)을 통하여 본체(10)와 연결된다. 따라서, 제1 연결관(22)은 공급관(20) 및 본체(10) 사이에 위치되며, 제1 연결관(22)의 내주면 평균직경(r1)은 공급관(20)의 내주면 평균직경(R1)보다 작게 형성된다.
한편, 제1 연결관(22)의 외주면 평균직경은 제1 연결관(22)과 공급관(20)의 결합의 편이성 및 결합의 안정성을 위하여 공급관(20)의 외주면 평균직경과 동일하게 형성될 수 있다.
여기서, 제1 연결관(22)은 일정한 강성을 갖는 금속 재질로 형성될 수 있으며 전극 슬러리의 공급에 의한 압력을 견딜 수 있는 재질이라면 어떠한 재질이라도 무방하다.
제1 순환관(30)은 제2 연결관(32)을 통하여 본체(10)와 연결된다. 따라서, 제2 연결관(32)은 제1 순환관(30) 및 본체(10) 사이에 위치되며, 제2 연결관(32)의 내주면 평균직경(r2)은 제1 순환관(30)의 내주면 평균직경(R2)보다 작게 형성된다.
한편, 제1 순환관(30)의 외주면 평균직경은 제2 연결관(32)과 제1 순환관(30)의 결합의 편이성 및 결합의 안정성을 위하여 제1 순환관(30)의 외주면 평균직경과 동일하게 형성될 수 있다.
여기서, 제2 연결관(32)은 일정한 강성을 갖는 금속 재질로 형성될 수 있으며 전극 슬러리의 공급에 의한 압력을 견딜 수 있는 재질이라면 어떠한 재질이라도 무방하다.
제2 순환관(40)은 제3 연결관(42)을 통하여 본체(10)와 연결된다. 따라서, 제3 연결관(42)은 공급관(20) 및 본체(10)사이에 위치된다.
제2 순환관(40)은 제3 개폐 부재(41)를 구비하고 있으며, 제3 연결관(42)의 내주면 평균직경은 제3 개폐 부재(41)에 의해 열리는 홀의 평균직경이다. 예를 들면, 상기 제3 개폐 부재(41)는 관통홀이 구비된 볼밸브이며, 상기 제3 연결관(42)의 내주면 평균직경(r3)은 상기 관통홀의 평균직경(r3)일 수 있다. 제3 연결관(42)의 내주면 평균직경(r3)은 제2 순환관(40)의 내주면 평균직경(R3)보다 작거나 같게 형성된다.
한편, 제3 연결관(42)의 외주면 평균직경은 제3 연결관(42)과 제2 순환관(40)의 결합의 편이성 및 결합의 안정성을 위하여 제2 순환관(40)의 외주면 평균직경과 동일하게 형성될 수 있다. 제2 순환관(40)과 결합의 편이성 및 결합의 안정성을 위하여 제2 순환관(40)과 결합하는 제3 연결관(42)의 단부의 평균직경은 제2 순환관(40)의 외주면 평균직경과 동일하고, 제3 개폐 부재(41)가 구비된 부분의 외주면 평균직경은 제2 순환관(40)의 외주면 평균직경보다 크게 구비될 수 있다.
여기서, 제3 연결관(42)은 일정한 강성을 갖는 금속 재질로 형성될 수 있으며 전극 슬러리의 공급에 의한 압력을 견딜 수 있는 재질이라면 어떠한 재질이라도 무방하다.
공급관(20)의 내부에는 제1 연결관(22)을 개폐하도록 형성되는 제1 개폐 부재(21)가 형성되며, 제1 순환관(30)의 내부에는 제2 연결관(32)을 개폐하도록 형성되는 제2 개폐 부재(31)가 형성된다.
제2 개폐 부재(31)는 제1 개폐 부재(21)와 동일한 형상으로 형성될 수 있으며, 제2 개폐 부재(31)는 제1 개폐 부재(21)의 크기와 평균직경은 상이할 수 있으나, 제1 개폐 부재(21)가 제1 연결관(22)을 개폐시키는 원리와 동일한 원리로 제2 연결관(32)을 개폐시킬 수 있으므로 중복된 설명에 대해서는 생략한다.
제1 개폐 부재(21)에는 제1 연결관(22)에 대면하는 원추 옆면(23)이 형성되며, 제1 연결관(22)에 대향하는, 상세하게는, 원추 옆면(23)에 의해 형성되는 원추를 제1 원추라고 하면, 제1 원추의 반대측에 대응되게 위치하는 제2 원추 옆면(24)가 형성될 수 있다.
제1 개폐 부재(21)에는 제1 연결관(22)에 대면하는 원추 옆면(23)의 직경이 점차적으로 외향으로 감소하는 원추 형상이고, 콘밸브일 수 있다.
이 때, 원추 옆면(23) 및 제2 원추 옆면(24)는 각각 직경이 점차적으로 외향으로 감소하는 원추 형상으로 이루어진다. 여기서, 원추 옆면이란, 원뿔 형상의 꼭지점과 밑면의 원을 연결한 곡면을 의미한다.
따라서, 제1 개폐 부재(21)는 하나의 원뿔 형상이거나, 동일한 2개의 원뿔의 밑면이 접합된 형상이다. 2개의 원뿔의 밑면이 접합된 형성인 경우, 원추 옆면(23)의 원추 형상과 제2 원추 옆면(24)의 원추 형상은 상호 대칭 구조를 갖는다.
이때, 제1 개폐 부재(21)의 제2 원추 옆면(24)를 원추 형상으로 뾰족하게 형성하거나, 꼭지점을 라운드 처리될 수 있다.
제1 개폐 부재(21)의 원각은 110도 내지 150도일 수 있다. 구체적으로 110도 내지 140도, 110도 내지 130도, 또는 115도 내지 125도일 수 있다. 바람직하게는 제1 개폐 부재(21)의 원각은 120도일 수 있다.
도 8 내지 도 13에는 원추각이 90도인 종래 콘밸브와 원추각이 120도인 콘밸브의 개폐시 전극 슬러리의 유속, 전단응력 및 압력을 비교했다.
제1 개폐 부재(21) 및 제2 개폐 부재(31)가 왕복하여 반복적으로 이동시 전극 슬러리와의 마찰 저항을 줄일 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 제1 개폐 부재(21)와 전극 슬러리와의 마찰을 줄임으로써 제1 개폐 부재(21)의 이동시, 제1 개폐 부재(21)에 걸리는 전극 슬러리 압력이 감소하여 오작동을 방지할 수 있고, 제2 원추 옆면(24) 상측으로 전극 슬러리가 밀려 올라가는 양을 최소화할 수 있으며, 코팅 초기에 국부적으로 코팅량이 많은 부위가 생기는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제1 개폐 부재(21)는 동일한 2개의 원뿔의 밑면을 접합하여 형성될 수도 있으며, 접합을 하지 않고, 처음부터 동일한 2개의 원뿔의 밑면이 접합된 형상으로 제작될 수 있다.
다만, 제1 개폐 부재(21)는 전극 슬러리의 종류, 점성 및 기타 특성에 따라 선택적으로 다른 평균직경을 갖는 2개의 원뿔이 결합된 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 제1 개폐 부재(21)의 재질은 제1 연결관(22)을 통하여 공급관(20)으로 유입되는 전극 슬러리를 완벽하게 차단할 수 있도록 투과성이 없으며, 일정한 강성을 갖도록 형성될 수 있으며, 상세하게는, 금속 재질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 개폐 부재(21)는 구동부(미도시)와 연결되는 제1 연결 부재(25)를 더 포함하고, 제2 개폐 부재(31)는 구동부(미도시)와 연결되는 제2 연결 부재(26)를 더 포함한다.
제1 연결 부재(25) 및 제2 연결 부재(26)는 각각 바(bar) 형상으로 이루어져 있으며, 구동부에 의하여 제1 연결 부재(25) 및 제2 연결 부재(26)에 동력이 전달됨에 따라 제1 개폐 부재(21) 및 제2 개폐 부재(31)가 이동될 수 있다.
이 때, 제1 연결 부재(25) 및 제2 연결 부재(26)는 본체(10) 내부에 형성된 전극 슬러리에 의한 압력을 견딜 수 있을 정도의 강성을 갖도록 형성되며, 상세하게는, 금속 재질로 형성될 수 있다.
또한, 제1 연결 부재(25) 및 제2 연결 부재(26)의 두께는 제1 연결관(22) 및 제2 연결관(32) 내주면의 평균직경에 비하여 매우 작게 형성될 수 있다. 이는 제1 연결 부재(25) 및 제2 연결 부재(26)가 제1 연결관(22) 및 제2 연결관(32) 내부에서 부피를 많이 차지하는 것을 방지하기 위함과 동시에, 제1 연결 부재(25) 및 제2 연결 부재(26)의 이동이 전극 슬러리의 이동에 영향을 주는 것을 최소화하기 위함이다.
도 3에는 전극 슬러리 제어 장치의 공급관(20)이 개방되고, 제1 순환관(30)과 제2 순환관(40)이 폐쇄되는 상태를 나타낸 작동 상태도가 도시되어 있고, 도 4에는 전극 슬러리 제어 장치의 공급관(20)과 제1 순환관(30)이 폐쇄되고, 제2 순환관(40)이 개방되는 상태를 나타낸 작동 상태도가 도시되어 있고, 도 5에는 전극 슬러리 제어 장치의 공급관(20)과 제2 순환관(40)이 폐쇄되고, 제1 순환관(30)이 개방되는 상태를 나타낸 작동 상태도가 도시되어 있고, 도 6에는 전극 슬러리 제어 장치의 공급관(20)이 폐쇄되고, 제1 순환관(30)과 함께 제2 순환관(40)이 개방되는 상태를 나타낸 작동 상태도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 구동부(미도시)와 연결된 제1 연결 부재(25)에 의하여 제1 개폐 부재(21)는 제1 연결관(22)을 개폐하도록 형성되며, 제2 연결 부재(26)에 의하여 제2 개폐 부재(31)는 제2 연결관(32)을 개폐하도록 형성된다.
제3 개폐 부재(41)는 관통홀(44)이 구비된 볼밸브이며, 관통홀(44)이 구비된 볼(43)이 제3 연결관(42) 내 구비되고 상기 볼(43)의 외부면에 결합된 밸브(45)에 의해 볼(43)이 회전할 수 있다. 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 볼(43)의 회전에 의해 관통홀(44)이 제2 순환관(40)과 연결되도록 위치하면 개방되고, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 볼의 회전에 의해 관통홀(44)이 제2 순환관(40)과 연결되지 않으면 폐쇄된다.
이 때, 제1 개폐 부재(21)가 제1 연결관(22)을 폐쇄할 때 제2 개폐 부재(31)는 제2 연결관(32) 및 제3 연결관(41) 중 적어도 어느 하나를 개방시키고, 제1 개폐 부재(21)가 제1 연결관(22)을 개방할 때 제2 개폐 부재(31)는 제2 연결관(32)을 폐쇄시키고, 제3 개폐 부재(41)는 제3 연결관(42)을 폐쇄시키도록 구성된다.
구체적으로, 도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 개폐 부재(21)의 원추 옆면(23)이 제1 연결관(22)에 밀착하여 인입된 상태이며, 밀착하여 인입됨으로써 제1 연결관(22)이 폐쇄된다. 이와 같이 전극 슬러리가 공급관(20)으로의 이동이 차단될 때의 제1 개폐 부재(21) 위치를 "제1 위치"로 정의할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 개폐 부재(21)의 원추 옆면(23)이 제1 연결관(22)에서 전부 인출된 상태이며, 이와 같이, 제1 연결관(22)이 개방되어 전극 슬러리가 공급관(20)으로 이동이 가능할 때의 제1 개폐 부재(21) 위치를 "제2 위치"로 정의할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4에서와 같이 제2 개폐 부재(31)가 제2 연결관(32)에 밀착하도록 인입되어 제2 연결관(32)이 폐쇄된 상태의 제2 개폐 부재(31)의 위치를 "제3 위치"로 정의할 수 있으며, 도 5 및 도 6에서와 같이, 제2 개폐 부재(31)가 제2 연결관(32)에서 전부 인출되어 제2 연결관(32)이 개방된 상태일 때의 제2 개폐 부재(31)의 위치를 "제 4 위치"로 정의할 수 있다.
즉, 제1 개폐 부재(21)의 제1 위치는 제2 개폐 부재(31)의 제3 위치에 대응되며, 제1 개폐 부재(21)의 제2 위치는 제2 개폐 부재(31)의 제 4 위치에 대응될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 5에서와 같이 제3 개폐 부재(41)가 제3 연결관(42)에 밀착하도록 인입되어 제3 연결관(42)이 폐쇄된 상태의 제3 개폐 부재(41)의 위치를 "제 5 위치"로 정의할 수 있으며, 도 4 및 도 6에서와 같이, 제3 개폐 부재(41)가 회전되어 제3 연결관(42)이 개방된 상태일 때의 제3 개폐 부재(41)의 위치를 "제 6 위치"로 정의할 수 있다.
작동 원리를 설명하기 위해 먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 개폐 부재(21)는 제1 연결관(22) 측을 향하여 이동한 후, 제1 개폐 부재(21)의 원추 옆면(23)이 제1 연결관(22)에 인입된 제1 위치에 위치되며, 제2 개폐 부재(31)는 제2 연결관(32)의 반대측을 향하여 이동한 후, 제2 개폐 부재(31)의 원추 옆면(23)이 제2 연결관(32)에서 완전히 인출된 제 4 위치에 위치된다. 이때, 제3 개폐 부재(41)는 도 5와 같이 폐쇄된 상태인 제 5 위치에 위치되거나, 도 6과 같이 개방된 상태인 제 6 위치에 위치될 수 있다.
반대로, 도 3을 참조하면, 제1 개폐 부재(21)는 제1 연결관(22)의 반대측을 향하여 이동한 후, 제1 개폐 부재(21)의 원추 옆면(23)이 제1 연결관(22)에서 완전히 인출된 제2 위치에 위치되며, 제2 개폐 부재(31)는 제2 연결관(32) 측을 향하여 이동한 후, 제2 개폐 부재(31)의 원추 옆면(23)가 제2 연결관(32)에 인입된 제3 위치에 위치되고, 제3 개폐 부재(41)는 폐쇄된 상태인 제 5 위치에 위치된다.
따라서, 제1 연결관(22)이 완전 개방된 상태(제2 위치)일 때, 제2 및 제3 연결관(42)은 완전 폐쇄된 상태(제3 위치, 제 5 위치)로 형성되며, 이 때, 기재 상에 코팅부가 형성된다. 또한, 제1 연결관(22)이 완전 폐쇄된 상태(제1 위치)일 때, 제2 연결관(32)은 완전 개방된 상태(제 4 위치)로 형성되며, 제3 연결관(42)은 선택적으로 계패된 상태이다. 이 때, 기재 상에 미코팅부가 형성될 수 있다.
즉, 제1 개폐 부재(21) 및 제2 개폐 부재(31)는 상호 반대 방향으로 왕복하여 고속 이동하며, 슬러리 공급 펌프의 복잡한 제어 없이 개폐 부재의 제어만으로 기재 상에 코팅부와 미코팅부를 간헐적으로 형성시킬 수 있다.
이는 전극 슬러리 제어 장치(100)가 공급관(20)이외에도 별도로 제1 순환관(30)을 구비함으로써 기재 상에 미코팅부가 형성될 때에도 전극 슬러리가 본체(10)를 거쳐 계속 순환되도록 형성함으로써 슬러리 공급 펌프의 가동을 멈추지 않더라도 본체(10)에 걸리는 압력을 줄일 수 있다.
제2 연결관(32)은 완전 개방된 상태(제 4 위치)일 때, 제2 연결관(32)을 통과하는 전극 슬러리는 물성이 변화하여 전극 코팅 품질에 악영향을 줄 수 있다. 이는 슬러리에 큰 전단응력(shear stress)을 가하는 제2 개폐 부재(31) 및 제2 연결관(32)의 형상 때문이다.
전단응력은 코팅공정 이전 단계인 믹싱공정에서 슬러리를 분산시키는 데에 필수적인 요소이다. 그러나 슬러리가 믹싱공정을 통해 완성된 이후에는 전단응력을 최소화하는 것이 필요하다. 만약 믹싱공정 이후에 의도치 않은 추가적인 전단력이 발생하면 두 가지 문제가 발생할 수 있다.
첫째로, 기재에 코팅된 슬러리의 경계면에 악영향을 줄 수 있다. 지속적으로 슬러리에 전단응력이 가해지면 슬러리의 점도(점도 곡선)가 변한다. 특히 점도 곡선(x축 viscosity, y축 shear rate)에서의 점도 기울기는 기재에 도포된 슬러리의 경계면 형상에 영향을 준다. 만약 코팅 경계면을 관리하지 못하면 완성된 리튬이온배터리에서 양극과 음극의 적정 비율이 깨져 리튬석출현상으로 인한 화재가 발생할 수 있다.
둘째로, 음극의 경우 점탄성 특성으로 인해 전단응력이 가해지면 필터(슬러리 이동 배관에 설치된 이물질 필터) 막힘 문제나 코팅 품질 문제가 발생할 수 있다. (점탄성이란 물체의 점성(Viscous Property)과 탄성(Elastic Property)을 나타내는 지표를 의미) 음극의 경우 전단력이 가해지면 입자 네트워크가 형성되어 고체의 특성을 띌 위험이 있기 때문이다. 이로 인해 필터 막힘 문제나 코팅 품질 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 위 문제를 방지하기 위하여 제2 순환관(40)을 추가하여 슬러리에 큰 전단응력을 가하는 제 2 개폐 부재(31) 및 제2 연결관(32)을 슬러리가 회피하는 방법을 제공하고 더 나아가 전단응력을 최소화하도록 제1 개폐 부재(21), 제1 연결관(22), 제2 개폐 부재(31), 제2 연결관(32)의 형상을 개선하는 것이다.
이를 보완하기 위해, 장기간 코팅을 중단하는 경우, 제3 연결관(42)을 완전 개방된 상태(제 6 위치)로 변경한다. 이로 인해, 슬러리가 제2 개폐 부제(31) 및 제2 연결관(32)을 회피하여 전단응력을 덜 받아 물성 변화를 방지할 수 있다.
장기간 코팅을 중단하는 경우에는 제3 개폐 부재(41)를 열어 제3 연결관(42)을 개방할 수 있으나 간헐(패턴 코팅) 중에는 고속으로 개폐가 가능한 제1 개폐 부재(21)와 제2 개폐 부재(31)로만 슬러리를 제어해야 하고 제3 연결관(42)은 폐쇄시켜야 한다. 따라서 간헐코팅 중 순간적으로 코팅을 중단하는 경우 슬러리는 제2 개폐 부재(31) 및 제2 연결관(32)을 어쩔 수 없이 통과해야 하고, 코팅을 진행하는 경우 슬러리는 제1 개폐 부제(21) 및 제1 연결관(22)을 어쩔 수 없이 통과해야 한다. 본 발명은 해당 개폐 부제의 원추각을 110도 내지 150도로 만들어 슬러리가 받는 전단응력을 최소화하여 슬러리 물성 변화를 방지한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.
[실험예 1]
유속 분포
개폐 부제의 원추각을 110도 내지 150도로 만들어 슬러리가 받는 전단응력을 최소화하는 본 발명의 효과를 검증하기 위해 유동해석을 진행했다. 종래의 90도 원추각 개폐 부재와 본 발명인 120도 개폐 부재를 비교 분석했다. 구체적인 유동해석 방법은 다음과 같다. 작동유체로 LG에너지솔루션 원통형 전지에 사용되는 음극 슬러리 중 하나를 사용했다. 슬러리의 점도곡선은 점도계로 실측하여 구한 후 Carreau-Yasuda model로 curve fitting하여 유동해석 프로그램에 입력했다. 슬러리 밀도 및 유량, 밸브의 크기 및 stroke(밸브가 열린 정도)와 같은 변수들도 실제 코팅공정을 잘 반영하도록 선택되었다. 정상상태로 해석을 진행했고 난류모델을 사용했다. 사용된 해석 툴(Tool)은 Siemens 사의 STAR-CCM+ 이다. 그 결과를 도 8 및 도 11에 도시했다.
도 8(a)는 정위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이고, 도 8(b)는 정위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이다.
도 11(a)는 역위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이고, 도 11(b)는 역위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 유속변화이다.
도 8(b) 및 도 11(b)의 유동해석 결과와 같이 원추각이 120도인 개폐 부재를 사용하면, 도 8(a) 및 도 11(a)의 90도 원추각 개폐 부재에 비해 슬러리 최대 유속이 감소함을 알 수 있다. 유체에 작용하는 전단응력은 (점도×전단변형률) 인데, 일반적으로 전단변형률은 다른 조건이 동일할 때 유속이 감소할수록 작아진다. 따라서 원추각이 90도인 경우보다 원추각이 120도일 때 슬러리에 가해지는 최대 전단응력이 감소함을 알 수 있다.
[실험예 2]
전단응력 분포
상기 실험예 1과 마찬가지로 개폐 부제의 원추각을 110도 내지 150도로 만들어 슬러리가 받는 전단응력을 최소화하는 본 발명의 효과를 검증하기 위해 유동해석을 진행했다. 이때, 전단응력은 (슬러리 점도 × 슬러리 전단변형률)로 계산하여 나타냈다. 구체적인 유동해석 방법은 실험예 1과 동일하다. 슬러리에 가해지는 전단응력 분포를 보여주는 결과를 도 9 및 도 12에 나타냈다.
구체적으로, 도 9(a)는 정위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이고, 도 9(b)는 정위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이다. 또한, 도 12(a)는 역위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이고, 도 12(b)는 역위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 전단응력변화이다.
도 9 및 도 12의 등고선 그래프를 통해, 원추각이 90도인 경우보다 원추각이 120도일 때의 슬러리에 가해지는 최대 전단응력이 감소함을 알 수 있다.
[실험예 3]
압력손실 분포
본 실험은 원추각을 110도 내지 150도로 만들었을 때의 압력손실을 분석하기 위해 유동해석을 진행했다. 구체적인 유동해석 방법은 실험예 1과 동일하다. 슬러리에 가해지는 정압(static pressure) 분포를 보여주는 결과를 도 10 및 도 13에 나타냈다.
구체적으로, 도 10(a)는 정위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이고, 도 10(b)는 정위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이다. 또한, 도 13(a)는 역위치로 구비되고 원추각이 90도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이고, 도 13(b)는 역위치로 구비되고 원추각이 120도인 콘밸브가 구비된 연결관 내 압력변화이다.
도 10 및 도 13의 등고선 그래프를 통해, 원추각이 90도인 경우보다 원추각이 120도일 때가 원추각이 90도일 때보다 압력손실이 감소함을 알 수 있다. 실험예 1 내지 3을 통해, 원추각이 110도 내지 150도이 개폐 부재를 사용할 때 슬러리 펌프의 부하를 감소시키고, 개폐 부재의 움직임을 원활하게 만들 수 있음을 보여준다.
[실험예 4]
본 실험은 유동해석을 통해 제2 순환관(40)과 제3 개폐 부재(41)가 설치되지 않은 기존의 배관 시스템이 슬러리에게 미치는 영향을 보여준다. 개폐 부재로는 기존의 원추각 90도 밸브를 사용했다. 해석 영역은 제1 개폐 부재(21)가 닫히고 제2 개폐 부재(31)가 열린 배관 시스템이다(코팅 중단 기간). 해석 영역을 제외한 나머지 유동해석 방법은 실험예 1과 동일하다. 그 결과를 도 14, 도 15 및 도 16에 도시했다. 도 14, 도 15 및 도 16은 각각 유속 분포, 전단응력(shear stress) 분포, 정압(static pressure) 분포를 보여준다.
도 14의 등고선 그래프는, 코팅 중단 기간 동안 제2 개폐 부재 부근에서 큰 유속이 발생함을 보여준다. 이로 인해, 도 15는 제2 개폐 부재 부근에서 큰 전단응력이 발생함을 보여준다. 도 16은 제2 개폐 부재가 대부분의 압력손실을 발생시킴을 보여준다.
따라서, 장기간 코팅이 중단될 때에는 슬러리가 제2 개폐 부재(31)를 회피할 수 있는 제2 순환관(40)이 추가적으로 필요함을 알 수 있다.
[실험예 5]
본 실험은 유동해석을 통해 제2 순환관(40)과 제3 개폐 부재(41)를 구비한 슬러리 제어장치가 슬러리에 미치는 영향을 보여준다. 실험예 4와 마찬가지로 제1 개폐 부재(21)가 닫히고 제2 개폐 부재(31)가 열린 배관 시스템이다(코팅 중단 기간). 그러나 제2 순환관(40)이 추가되었고 제3 개폐 부재(41)가 열려있어 슬러리가 제2 개폐 부재(31)를 회피할 수 있는 시스템이다. 해석 영역을 제외한 나머지 유동해석 방법은 실험예 4와 동일하다. 해석 결과를 도 17, 도 18 및 도 19에 도시했다. 도 17, 도 18 및 도 19는 각각 유속 분포, 전단응력(shear stress) 분포, 정압(static pressure) 분포를 보여준다.
도 17은 대부분의 슬러리가 제2 순환관(40)을 통해 흐르고 제2 개폐 부재(31)를 우회함을 보여준다. 이로 인해 도 18은 도 15와 비교했을 때, 제2 개폐 부재 부근에서 전단응력이 감소함을 보여준다. 또한 도 19는 도 16과 비교했을 때, 압력손실이 크게 감소함을 보여준다(28.22 kPa → 12.01 kPa).
따라서, 제2 순환관(40)과 제3 개폐 부재(41)를 구비한 슬러리 제어장치는 슬러리에 가해지는 전단응력을 감소시키고 배관 시스템의 압력 손실을 낮춤을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 외부의 저장부에서 전극 슬러리를 공급받는 수용구가 구비되어 있는 본체;
    기재 상으로 전극 슬러리를 토출하는 코팅부;
    상기 본체 내의 전극 슬러리를 상기 코팅부로 공급시키도록 구성되고, 제1 개폐 부재가 구비된 제1 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 공급관;
    상기 본체로 유입된 전극 슬러리의 일부를 상기 저장부로 이동시키도록 구성되고, 제2 개폐 부재가 구비된 제2 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 제1 순환관; 및
    상기 본체 내의 전극 슬러리의 일부를 상기 저장부로 이동시키도록 구성되고, 제3 개폐 부재가 구비된 제3 연결관을 통해 상기 본체에 연결되는 제2 순환관을 포함하며,
    상기 제2 연결관의 내주면 평균직경은, 상기 제1 순환관의 내주면 평균직경보다 작게 형성되고,
    상기 제3 연결관의 내주면 평균직경은 상기 제2 연결관의 내주면 평균직경보다 큰 것인 전극 슬러리 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 개폐 부재가 상기 제1 연결관을 폐쇄할 때
    상기 제2 개폐 부재가 상기 제2 연결관을 개방하거나, 상기 제3 개폐 부재가 상기 제3 연결관을 개방하거나, 상기 제2 개폐 부재 및 상기 제3 개폐 부재가 각각 상기 제2 연결관 및 상기 제3 연결관을 개방시키고,
    상기 제1 개폐 부재가 상기 제1 연결관을 개방할 때 상기 제2 개폐 부재 및 상기 제3 개폐 부재는 각각 상기 제2 연결관 및 상기 제3 연결관을 폐쇄시키도록 구성되는 것인 전극 슬러리 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 연결관의 내주면 평균직경은, 상기 공급관의 내주면 평균직경보다 작게 형성되고,
    상기 제1 개폐 부재는 원추 형상이며, 상기 제1 연결관에 대면하는 원추 옆면의 직경이 제1 연결관 측으로 점차적으로 감소하고, 원추각이 110도 내지 150도인 것인 전극 슬러리 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 개폐 부재는 원추 형상이며, 상기 제2 연결관에 대면하는 원추 옆면의 직경이 제2 연결관 측으로 점차적으로 감소하고, 원추각이 110도 내지 150도인 것인 전극 슬러리 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제3 개폐 부재는 관통홀이 구비된 볼밸브이며,
    상기 제3 연결관의 내주면 평균직경은 상기 관통홀의 평균직경인 것인 전극 슬러리 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 순환관을 통해 상기 본체로 이동하는 전극 슬러리와 상기 제2 순환관을 통해 상기 본체로 이동하는 전극 슬러리가 합류되도록, 상기 제1 순환관과 상기 제2 순환관이 연결된 합류관을 더 포함하는 전극 슬러리 제어 장치.
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