Main components of LiBs cell
Grinding
양극재와 음극재의 합성을 위한 하나의 옵션은 고체 공정(solid-state process)입니다.
이러한 프로세스에서 활물질은 안정적인 소성 공정에서의 화학적 변형을 통해 원료에서 생성됩니다.
사용된 원료에 따라 합성 전 원료의 1차적으로 건식 분쇄 공정을 거친 후 습식 미분쇄 단계가 필요할 수 있습니다. 제품이 미세할수록 균일하게 혼합되기 때문에 전지의 효율을 높이기 위해서는 물질을 얼마나 미세하게 분쇄/해쇄하느냐가 중요합니다.
분쇄 (Grinding)
외부로부터 충격을 받은 stress energy는 입자의 탄성 변형으로 저장되며, 임계값을 초과하면 파손됩니다. 제품에 가해지는 외부 에너지는 새로운 입자 표면을 만드는 것으로 변환됩니다.
해쇄 (De-Agglomeration)
1차 입자가 매우 미세하지만(마이크론 이하), 정전기력이나 건조 공정에 의해 응집되기도 합니다. 해쇄 공정은 건식 분산 공정으로, 새로운 입자 표면이 생기지 않습니다.
Process Solution
이 과정에서 필요한 최종 입도에 대해 모든 경도의 고체를 미분쇄하는 기계가 사용됩니다.
고용량 니켈 NCM의 경우, 리튬 소스로서 LiCO3보다 높은 화학 반응을 가진 LiOH가 적합합니다. LiOH의 목표 입도는 약 7 – 8 micron(d50)입니다. 그리고 이 과정에서 제트밀 솔루션이 필요합니다.
열처리 후에는 제품이 덩어리지기 때문에 de-agglomeration(해쇄) 과정이 필요하며, CGS와 같은 고성능 Air Jet Mill이 일반적으로 사용됩니다.
제트 밀은 특정 압력과 온도에서 공기와 같은 유체를 사용하는 공정 장비입니다. 제트 기류를 팽창시키기 위해 가스나 스팀이 사용되는데, 가속되는 입자 간의 충돌에 의해 분쇄가 이루어집니다.
양극재(LMO, NMC, LFP…), 음극재(LTO, Si-Based Material), 세라믹 코팅 분리막의 경우, 습식 분쇄 공정을 거칩니다.
이온 확산 상수는 입자 크기에 따라 달라지며, 이온 확산은 마이크로 사이즈 입자나 벌크 재료보다 나노 사이즈 입자에서 훨씬 빠릅니다. 그러나 너무 넓은 표면적은 전극/전해질 반응에서 원하지 않는 부반응을 초래합니다. (예: 낮은 충진 밀도)
이러한 이유로 더 좁은 입도 분포를 얻기 위해 NEOS, ZETA와 같은 고성능 분쇄 솔루션을 사용합니다.
습식 분쇄 시스템은 또한 음극재를 위한 솔루션입니다. 최근에는 특히 용량 증가에 대한 요구가 높아짐에 따라 실리콘계 음극재가 차세대 음극재로 높은 평가를 받고 있습니다. 실리콘은 흑연에 비해 용량이 약 10배 더 많기 때문입니다.
그러나 실리콘은 리튬화 과정에서 매우 큰 부피 변화를 보이며 탈리튬화 시 구조적 손상으로 인해 충/방전 사이클 수가 짧아지기 때문에 이 문제를 먼저 해결해야 상용화가 가능합니다.
이 문제를 해결하는 방법 중 하나는 실리콘 흑연 나노 복합체를 만드는 것입니다. 실리콘의 원료는 일반적으로 야금 등급의 실리콘이지만, 이 물질은 전기 재료의 공정에서 부산물로 찾을 수 있는 폴리 실리콘처럼 다른 유형의 실리콘입니다. 이 실리콘 파우더는 리튬화 및 탈리튬화 시의 변형을 최소화하기 위해 일반적으로 100nm 미만의 나노 범위로 분쇄되어야 합니다. 또한, 건조 공정이 필요하며 피치(pitch)와 같은 탄소 소스로 코팅되어야 합니다. 따라서 Zeta® RS와 같은 나노밀을 사용합니다. 탄소 코팅 후, 탄소원으로 코팅되지 않은 베어 실리콘이 노출될 수 있으므로 건식 분쇄 공정을 2~3회 반복할 수 있습니다.
System Solution
NEMO® 펌프 또는 PERIPRO 펌프 같은 이송 솔루션은 배터리 생산 라인에서 중요한 장치로 다양한 종류의 접착제 및 배터리 슬러리 등을 운반하는 데 사용되는 도징 및 계량 펌프로 주로 배터리 슬러리 공정 및 코팅 공정에 적용됩니다
축 방향 속도는 매우 작아 매체에 낮은 전단율이 적용되므로 매체의 기계적, 화학적 특성이 변하지 않고 에멀젼이 깨지지 않고 점도가 유지됩니다. 펌핑 솔루션을 사용할 때 펌프는 각 회전마다 동일한 체적 변위를 유지하며, 유량은 체적 변위를 기반으로 적용할 수 있습니다.
펌핑 솔루션을 사용하면 회전 속도로 선형 성능을 유지하고 회전할 때마다 동일한 체적 변위를 유지할 수 있습니다. 그리고 맥동이 없고 연속적이고 중단없이 이송이 유지 됩니다. 전단에 민감한 매체에 대해 모든 유형의 펌프의 낮은 전단 계수는 높은 고형분, 고점도의 고형 입자를 손상없이 처리할 수 있습니다.
특히, 리튬 이온 배터리 전극을 생산할 때 일반적으로 용매 계열 액체 및 물 계열 매질을 포함하여 양극 또는 음극에 대한 슬러리 종류를 주입하거나 계량하기 위해 펌프를 선택합니다.
Analyzing Solution
배터리 원재료를 양극, 음극 활물질로 만드는 과정에서 열처리 및 소성을 하게 됩니다.
소결은 혼합 원료를 가열하여 열경화성 물질로 만드는 과정입니다. 열처리와 소결을 위해서는 배터리의 원료와 활물질의 열적 특성을 이해하는 것이 중요합니다.
활물질의 열 분석을 통해 각 활물질의 조성에 따른 열 거동을 파악할 수 있는데, 예를 들어 활물질이 O2, H2와 같은 활성 가스와 반응하면 활물질의 성질이 변하는데, 이러한 현상을 방지하기 위해 TGA와DSC로 열 특성을 측정하는 방법이 있습니다. TGA는 글러브박스 내 N2, Ar 등 불활성 기체 분위기에서 질량 변화를 분석합니다. DSC는 고압 시료 팬으로 밀봉하여 활성 기체 반응을 막아 활성 물질의 열적 특성을 분석합니다. 또한 열 분석에서 나온 가스는 TGA 또는 STA에GC-MS 또는 QMS를 연동하여 분석할 수도 있습니다. 또한 재료의 소결을 평가하기 위해 DIL 또는 TMA를 활용할 수 있습니다.