Cell/Module/Pack manufacturing
Coating
배터리 슬러리는 일반적으로 블레이드 코팅 또는 슬롯 다이 코팅으로 처리됩니다.
이러한 과정 동안 슬러리는 짧은 시간 동안 중간 수준의 전단율을 거치며 코팅 프로세스 후 슬러리에 작용하는 중력 응력이 뒤따릅니다. 이것은 낮은 전단율과 필름 균일성에서 레벨링 거동에 영향을 미칩니다. 그렇기 때문에 배터리 슬러리의 유변학적 거동을 파악하는 것은 배터리의 성능과 에너지 밀도 향상을 위해 중요합니다.
Solutions
대부분의 양극 활물질은 전기 전도성이 제한된 전극에 있습니다. 또한 전극의 폴리머 매트릭스는 전기 전도성이 있어야 합니다. 그렇기 때문에 배터리 슬러리에, 배터리에 필요한 충전 시간을 줄이기 위해 첨가제를 사용하기도 합니다. 여기에 가장 높은 종횡비를 특징으로 하는 카본 블랙, 흑연 및 탄소 나노 튜브(CNT)와 같은 주로 탄소 기반 원료가 사용됩니다. 이러한 원료는 먼저 초기 단계에 효과적으로 분산되어야 합니다. 일반적으로 1차 입자 크기, 벌크 고체의 특성 및 순도에 대한 복잡한 요구 조건들은 Epsilon, Omega와 같은 분산기로 해결할 수 있습니다.
전도성 슬러리로 MWCNT의 번들링 해제 (de-bundling)
이론적으로 종횡비가 큰 CNT는 복합재 전체에 걸쳐 연속적이고 전도성인 네트워크를 형성하고 훨씬 더 낮은 침투 임계값을 얻습니다. 그러나, 매우 높은 점도로 인해 최종 전극 슬러리의 점도를 높입니다. 따라서 CNT를 전도성 슬러리로 사용하기 위해 종횡비가 큰 CNT를 번들링 해제(de-bundling)하는 것은 현실적으로 불가능합니다.
CNT를 de-bundling하는 장비를 올바르게 선택하려면 먼저 직경, 길이, 유형과 같은 CNT 속성 유형을 확인해야 합니다. CNT의 유형에 따라 우리 네취가 제안하는 몇 가지 옵션 중 한 가지 솔루션을 선택할 수 있습니다.
펌핑 시스템은 배터리 생산 라인에서 중요하며 다양한 종류의 접착제 및 배터리 슬러리 등을 운반하는 데 사용되는 도징 및 계량 펌프로 주로 배터리 슬러리 공정 및 코팅 절차에 적용됩니다. 그리고 코팅에 적용되는 슬러리의 부피는 유량에 따라 달라집니다.
코팅 공정은 정량 특성의 모노펌프(예: NEMO® 펌프)가 적합합니다. 다양한 1차 원료를 교반조로 이송하여 고속으로 교반합니다. 따라서 고점도, 고농도의 슬러리를 맥동 없이 연속적으로 코터에 공급할 수 있어 얇고 균일한 막두께를 제공합니다. 펌핑 시스템은 저맥동으로 매체를 전달하기 때문에 배터리 제조에서 코팅 공정의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
펌프 시스템 적용
리튬 슬러리는 운반해야 하는 가장 까다로운 매체 중 하나입니다. 리튬은 반응성이 높아 자연에서 자유롭게 발생하지 않습니다. 완전히 건조한 환경에서만 안정되지만 질화리튬과 천천히 반응합니다. 무광의 회색 수산화리튬 층이 습한 공기에서 표면에 빠르게 형성됩니다. 원소 리튬은 피부의 수분과 접촉하여 반응하면 심한 화상을 입힙니다.
이 경우 네취의 플렉시블 로드가 있는 스테인리스 스틸 재질의 모노 펌프를 선택할 수 있습니다. 이 펌프 타입의 주요 특징은 나선형 회전자가 기하학적으로 일치하는 고정자에서 진동하며 회전하는 편심 나사 원리입니다. 그 결과 매체가 압력 변동, 맥동 또는 전단력 없이 흡입측에서 압력측으로 연속적으로 이동하는 균일한 전달 공간이 생성됩니다.
반응에 민감한 경금속의 높은 요구 사항을 충족하기 위해 플렉시블 로드는 개방 또는 오일 주입 조인트 대신에 구동장치에 샤프트를 연결합니다. 샤프트는 로터와 구동축 연결부가 함께 수축되어 있어 두 인터페이스가 모두 밀봉됩니다. 연결부에서는 구성 요소가 서로 마찰하지 않기 때문에 플렉시블 로드가 거의 마모되지 않으며 씰링이나 윤활이 필요하지 않습니다. 유지보수가 필요 없는 플렉시블 로드는 유지보수 비용이 거의 발생하지 않습니다. 이러한 이유로 오일이 없는 PTFE 슬리브 씰도 메카니칼 씰로 사용됩니다. 배터리 제조업체에서 사용되기 위한 재료로는 스테인리스강과 NEMOLAST® 고정자가 사용되었습니다.
연마한 스테인리스강 표면으로 인해 매체가 접착되지 않습니다. 이를 통해 오염을 최소화하고 펌프를 쉽게 세척할 수 있습니다. 이는 화학 공정에서 중요한 요구 사항입니다. 폭발성이 높은 혼합 매체를 고려하여 펌프는 전기 모터로 구동됩니다. 결과적으로 이 프로세스는 배터리 품질을 향상시킵니다.
작동 원리
축 방향 속도가 매우 작아 매체에 낮은 전단율이 적용되므로 매체의 기계적 및 화학적 특성이 변경되지 않고 에멀젼이 깨지지 않고 점도가 유지됩니다.
펌핑 시스템은 회전할 때마다 동일한 체적 변위를 유지하며, 유량은 체적 변위를 기준으로 할 수 있습니다.
펌핑 시스템으로 매체를 운반하는 데 몇 가지 장점이 있습니다.
- 회전당 동일한 체적 변위의 회전 속도로 선형 성능을 유지하며 도징 및 계량 펌프로 잘 작동합니다.
- 맥동이 없고 연속적이고 중단 없는 흐름
- 전단에 민감한 매체에 대해 모든 유형의 펌프의 낮은 전단 계수는 높은 고형, 고점도의 고형 입자를 손상없이 처리할 수 있습니다.
유변학은 배터리 슬러리의 흐름 특성에 대한 이해를 제공합니다. 다양하고 낮은 전단에서의 거동이 레벨링에 영향을 미칠 수 있습니다. 고형분 함량이 높을 경우, 공정에서 사용되는 전단 속도 범위에서 전단농화(Shear Thickening)가 발생할 수 있으며 코팅 공정 중 어려움을 일으킬 수 있습니다. 전단 점도 함수 외에도, 전단 흐름 하에서 슬러리의 탄성도 중요합니다. 슬러리의 탄성은 코팅 층의 파열 또는 코팅 층의 가장자리에 흐름 불안정성을 초래할 수 있습니다. 그러나 슬러리의 탄성은 정지 상태의 입자가 침전되는 것을 방지하는데 도움이 되며, 탄성 수직 응력이 공정에 미치는 부정적인 영향과 균형을 이루어야 합니다.
위의 그래프는 NMP/PVDF/Carbon black/Binder를 섞은 슬러리의 점도 측정 결과입니다.
NMP와 NMP/PVDF는 뉴톤거동을 보이는 상태이고, 여기에 Carbon black을 섞으면 비뉴톤거동을 보이는 유체로 유변학적인 성질이 바뀌는 것을 볼 수 있습니다. Carbon A는 Carbon B를 섞은 슬러리보다 모든 전단 속도 영역에서 높은 점도를 유지하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 Carbon A는 낮은 전단 공정에서 침전에 대한 저항이 늘어난 것을 이야기합니다. 반대로 높은 전단 공정에서는 Carbon B의 점도가 더 낮기 때문에 Carbon A 슬러리보다 얇게 코팅층을 형성할 수 있다고 예측할 수 있습니다.