음극재
리튬 이온 전지용 무기 전극 재료 제조에는 고온 고체상 반응이 가장 일반적으로 사용됩니다. 고온 고체상 반응은 고체상 물질을 포함한 반응물이 일정 온도에서 일정 시간 동안 반응하여 다양한 원소 간의 상호 확산을 통해 화학 반응을 일으켜 특정 온도에서 가장 안정한 화합물을 생성하는 과정을 의미하며, 고체-고체 반응, 고체-기체 반응, 고체-액체 반응 등이 포함됩니다.
졸-겔법, 공침법, 수열법, 용매열법을 사용하더라도 일반적으로 고온에서의 고상 반응 또는 고상 소결이 필요합니다. 이는 리튬 이온 전지의 작동 원리가 전극 물질이 Li+의 반복적인 삽입 및 탈리가 가능해야 하므로, 격자 구조가 충분한 안정성을 가져야 하기 때문입니다. 이를 위해서는 활물질의 결정성이 높고 결정 구조가 규칙적이어야 합니다. 하지만 이는 저온 조건에서는 달성하기 어렵기 때문에, 현재 실제로 사용되는 리튬 이온 전지의 전극 물질은 기본적으로 고온 고상 반응을 통해 얻어집니다.
양극재 가공 생산라인은 주로 혼합시스템, 소결시스템, 분쇄시스템, 물세척시스템(고니켈만 해당), 포장시스템, 분말운반시스템, 지능형 제어시스템으로 구성되어 있습니다.
리튬 이온 배터리용 양극재 생산에 습식 혼합 공정을 사용할 경우 건조 문제가 자주 발생합니다. 습식 혼합 공정에 사용되는 용매의 종류에 따라 건조 공정 및 장비의 종류가 달라집니다. 현재 습식 혼합 공정에는 주로 두 가지 종류의 용매가 사용됩니다. 에탄올, 아세톤 등의 유기 용매인 비수용성 용매와 수용성 용매입니다. 리튬 이온 배터리 양극재의 습식 혼합을 위한 건조 장비는 주로 진공 회전 건조기, 진공 레이크 건조기, 분무 건조기, 진공 벨트 건조기 등이 있습니다.
리튬 이온 배터리용 양극재의 산업적 생산은 일반적으로 고온 고체 소결 합성 공정을 채택하며, 그 핵심 장비는 소결로입니다. 리튬 이온 배터리 양극재 생산을 위한 원료는 균일하게 혼합 및 건조된 후 소결을 위해 소결로에 투입되고, 이후 분쇄 및 분급 공정으로 이송됩니다. 양극재 생산에는 온도 제어 온도, 온도 균일성, 분위기 제어 및 균일성, 연속성, 생산 능력, 에너지 소비량, 소결로의 자동화 수준 등의 기술적·경제적 지표가 매우 중요합니다. 현재 양극재 생산에 사용되는 주요 소결 장비는 푸셔 킬른, 롤러 킬른, 벨자 킬른입니다.
◼ 롤러 킬른은 연속 가열 및 소결이 이루어지는 중형 터널 킬른입니다.
◼ 롤러 가마도 푸셔 가마와 마찬가지로 로내 분위기에 따라 공기 가마와 대기 가마로 구분됩니다.
- 공기로: 주로 산화 분위기가 필요한 재료의 소결에 사용됨.예: 리튬 망간산화물 재료, 리튬 코발트 산화물 재료, 3원 재료 등.
- 분위기 가마: 주로 NCA 3원소 재료, 리튬 철 인산(LFP) 재료, 흑연 양극 재료 및 분위기(예: N2 또는 O2) 가스 보호가 필요한 기타 소결 재료에 사용됩니다.
◼ 롤러 킬른은 롤링 마찰 공정을 채택하여 킬른의 길이가 추진력의 영향을 받지 않습니다. 이론적으로는 무한대가 가능합니다. 킬른 내부 구조의 특성상 제품 소성 시 균일성이 우수하며, 킬른 내부 구조가 크기 때문에 로 내 공기 흐름과 제품의 배수 및 고무 배출에 더욱 유리합니다. 푸셔 킬른을 대체하여 진정한 대량 생산을 실현하는 데 적합한 장비입니다.
◼ 현재 리튬이온전지의 양극재인 리튬코발트산화물, 삼원계 양극재, 리튬망간산화물 등은 공기롤러로에서 소결하고 있으며, 리튬철인산은 질소로 보호된 롤러로에서 소결하고 있으며, NCA는 산소로 보호된 롤러로에서 소결하고 있습니다.
음극재
인조흑연의 기본 공정 흐름은 전처리, 열분해, 볼 분쇄, 흑연화(즉, 원래 무질서했던 탄소 원자를 깔끔하게 배열하는 열처리 과정이며, 핵심 기술 연결 고리), 혼합, 코팅, 혼합, 선별, 계량, 포장 및 보관으로 구성됩니다. 모든 공정은 미세하고 복잡합니다.
◼ 과립화는 열분해 공정과 볼밀링 선별 공정으로 구분됩니다.
열분해 공정에서는 중간체 1을 반응기에 넣고, 반응기 내부의 공기를 N2로 치환한 후, 반응기를 밀봉하고, 온도 곡선에 따라 전기적으로 가열하여 200~300℃에서 1~3시간 동안 교반한 후, 400~500℃까지 계속 가열하여 교반하여 입자 크기가 10~20mm인 물질을 얻고, 온도를 낮추어 배출하여 중간체 2를 얻는다. 열분해 공정에는 수직 반응기와 연속 과립화 장비 두 가지가 사용되며, 두 장비 모두 원리는 동일하다. 두 장비 모두 특정 온도 곡선 하에서 교반 또는 이동하며 반응기 내부의 물질 조성과 물리화학적 특성을 변화시킨다. 수직 반응기는 열 반응기와 냉 반응기의 조합 모드로, 반응기 내부의 물질 성분을 열 반응기 내부의 온도 곡선에 따라 교반하여 변화시킨다. 교반이 완료되면 냉각 반응기에 넣어 냉각시키고, 열 반응기에 공급한다. 연속 과립화 장비는 에너지 소비가 적고 생산량이 많으며 연속 운전이 가능하다.
◼ 탄화와 흑연화는 필수적인 부분입니다. 탄화로는 중온 및 저온에서 재료를 탄화합니다. 탄화로의 온도는 최대 1600°C까지 상승하여 탄화 요구를 충족할 수 있습니다. 고정밀 지능형 온도 컨트롤러와 자동 PLC 모니터링 시스템은 탄화 과정에서 생성되는 데이터를 정확하게 제어합니다.
흑연화로는 수평 고온, 하부 배출, 수직 등을 포함하여 흑연을 흑연 열 영역(탄소 함유 환경)에 두어 소결 및 용융을 실시하며, 이 과정에서 온도는 3200℃에 도달할 수 있습니다.
◼ 코팅
중간 물질 4는 자동 이송 시스템을 통해 사일로로 이송되고, 매니퓰레이터에 의해 프로메튬 상자에 자동으로 충전됩니다. 자동 이송 시스템은 프로메튬 상자를 코팅을 위한 연속 반응기(롤러 킬른)로 이송합니다. 중간 물질 5는 질소 가스로 보호된 상태에서 특정 온도 상승 곡선에 따라 1150℃까지 8~10시간 동안 가열됩니다. 가열 과정은 전기를 통해 장비를 가열하는 간접 가열 방식입니다. 가열은 흑연 입자 표면의 고품질 아스팔트를 열분해 탄소 코팅으로 변화시킵니다. 가열 과정에서 고품질 아스팔트의 수지가 응축되어 결정 형태가 변형됩니다(비정질 상태에서 결정질 상태로). 천연 구형 흑연 입자 표면에 규칙적인 미결정 탄소층이 형성되고, 최종적으로 "코어-쉘" 구조를 가진 코팅된 흑연 유사 물질이 얻어집니다.