리튬이온전지의 양극재와 음극재는 전형적인 분말 재료.
초미분쇄기 분말소재에서 중요한 역할을 한다.
이는 전극 분말의 입자 크기, 비표면적, 충전 밀도에 영향을 미치며, 이는 배터리 반응 속도와 에너지 밀도에 영향을 미칩니다.
이는 배터리의 출력과 사이클 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
분말 특성은 배터리 성능과 직접 관련이 있으므로 전극 재료의 설계 및 가공이 중요합니다. 이 논문에서는 리튬 배터리 전극 재료에 분말 기술을 적용하는 방법을 소개합니다.
전극소재 및 분말기술
전극물질의 입자크기 조절
전극 재료의 입자 크기는 리튬 이온 배터리의 성능에 결정적인 역할을 합니다. 일반적으로 전극 재료의 입자 크기는 배터리 슬러리와 전극 시트의 제조에 직접적인 영향을 미칩니다. 큰 입자 크기의 슬러리는 점도가 낮고 유동성이 좋기 때문에 용매가 적고 고체 함량이 더 높습니다. 분말 입자 크기가 감소하면 컴팩트한 밀도와 용량을 어느 정도 향상시킬 수 있습니다.
전극 재료의 입자 크기는 일반적으로 레이저 입자 크기 분석기를 사용하여 테스트되며, 누적 분포 곡선에서 가장 큰 입자의 등가 직경 D50을 평균 입자 크기로 사용합니다. 양극 재료를 예로 들면, 양극 재료의 입자 크기와 분포는 전구체의 제조, 소결 및 분쇄 공정과 밀접한 관련이 있습니다.
예를 들어, 리튬 코발트산은 일반적으로 Co3O4와 탄산 리튬을 원료로 사용하여 제조됩니다. 소결 특성이 매우 좋기 때문에 원료에 대한 요구 사항이 비교적 낮습니다. 리튬 망간산은 대부분 알칼리 망간 전지와 동일한 원료인 전해 이산화 망간(EMD)을 사용합니다. 생산 공정은 전해 공정을 통해 전체 MnO2 판을 증착한 다음 껍질을 벗기고 분쇄하여 재료를 얻는 것을 포함합니다.
원료는 일반적으로 크고 불규칙한 입자를 가지고 있으므로 구형 망간 소스 전구체를 사용하여 입자 크기 분포를 제어합니다. 리튬 니켈 코발트 산화물, 니켈 코발트 망간 산화물 및 니켈 코발트 알루미늄 산화물과 같은 재료의 경우 화학적 공침은 Ni, Co, Mn 및 Al과 같은 원소의 원자 수준 혼합을 달성하기 위해 산업 생산에서 일반적으로 사용됩니다. 고밀도는 결정화를 제어하여 달성되며 이러한 프로세스는 분말 입자 크기 제어 기술의 영역에 속합니다.
전극소재의 비표면적 제어
일반적으로 전극 재료의 비표면적이 클수록 배터리의 속도 용량이 더 좋습니다. 그러나 전해질 재료와 반응하기 쉽고, 이로 인해 사이클 및 저장 성능이 저하됩니다. 비표면적은 입자 크기와 분포, 표면 다공성, 표면 코팅 및 기타 요인과 밀접한 관련이 있습니다. 리튬 코발트산 시스템에서 입자 크기가 작은 전극 재료는 가장 높은 비표면적에 해당합니다.
리튬 철 인산은 전도성이 좋지 않기 때문에 입자는 나노스케일 응집체 형태로 설계되고 비정질 탄소 코팅이 되어 모든 양극 재료 중에서 가장 높은 비표면적을 갖습니다. 코발트 기반 재료에 비해 망간 기반 재료는 본질적으로 소결하기 어렵고 일반적으로 비표면적이 더 큽니다.
특정 표면적을 제어하는 것은 배터리 요구 사항을 충족하는 데 필수적입니다. 이는 재료 특성에 기반합니다. 또한 전극 재료 제조에 분말 기술을 적용한 것입니다.
전극 재료의 입자 형태 제어
입자 형태를 통해 전극 재료 성능을 개선하는 전형적인 응용 분야는 천연 흑연의 구형화입니다. 현재 리튬 이온 배터리 양극 재료 제조업체의 응용 분야는 점차 비용 절감으로 이동하고 있습니다. 따라서 천연 흑연에 대한 글로벌 연구는 매우 중요합니다. 천연 흑연은 양극으로서 고용량과 안정적인 방전 전압의 장점이 있지만 상당한 단점도 있습니다.
충전 과정에서 용매 분자는 리튬 이온과 함께 흑연 층으로 공동 삽입되어 흑연 층이 "박리"되어 구조적 손상과 전극 사이클 성능이 빠르게 저하됩니다.
동시에, 일반 천연흑연은 잘 발달된 층상 구조를 가지고 있으며 시트 형태입니다. 충전하는 동안 전극 시트와 평행하게 정렬하기 쉽고 리튬 이온의 확산 거리를 늘려 확산 저항을 높이고 충전 및 방전 성능을 낮춥니다.
천연흑연 입자가 구형화된 후, 흑연층은 모든 방향으로 분포됩니다.
선호 방향이 작아지고 분포가 더 균일해집니다. 리튬 이온의 확산 경로가 짧아져 방전 효율이 향상됩니다.
마찬가지로, 다른 재료 유형은 적절한 구형화를 통해 수정될 수 있습니다. 동시에, 구형화는 분말 재료 패킹과 균일한 분포를 개선합니다. 이는 리튬 이온 배터리의 체적 에너지 밀도와 사이클 성능을 더욱 향상시킵니다.
다른 분말소재로 코팅하여 표면개질
니켈-코발트-망간(NCM) 3원 재료는 현재 전력 배터리에 가장 널리 사용되는 양극 재료입니다. 높은 에너지 밀도에 대한 수요가 증가함에 따라, 니켈 함량이 높은 후 구조적 안정성이 낮고 습도에 민감한 것과 같은 문제가 실제 응용 분야에 과제를 안겨줍니다. 최고의 리튬 배터리 제조업체는 종종 표면 코팅을 사용하여 재료의 성능을 조정합니다.
표면 코팅 고니켈 재료의 구조를 효과적으로 안정화할 수 있습니다. 표면 코팅 기술은 전극 재료와 전해질 사이의 접촉 면적을 줄입니다. 이는 표면 불순물과 전해질 사이의 부반응을 줄여 전자 전도도를 개선합니다. 3원 양극 재료의 안정성을 높이고 사이클 수명을 늘립니다. 일반적인 표면 코팅 재료에는 금속 산화물, 인산염 및 기타 안정적인 전극 재료가 포함됩니다.
다양한 분말소재의 혼합 및 분산
리튬 이온 배터리 전극을 제조할 때는 활물질, 바인더, 용매, 첨가제 등 다양한 성분을 첨가하고 혼합하여 슬러리를 형성합니다.
그러므로 입자의 분산과 구성의 균일성이 매우 중요해진다.
실제 교반 과정에서 전극 물질은 매우 복잡한 변화를 겪습니다. 강한 물리적 상호 작용 외에도 특정 화학적 상호 작용도 있습니다.
균일성이 거시적으로 달성되더라도 일부 물질 입자 응집체는 현미경으로 볼 때 여전히 존재할 수 있습니다. 따라서 전극 재료의 혼합은 거시적으로 균일할 뿐만 아니라 미시적으로도 비교적 균일해야 합니다. 혼합물이 더 균일할수록 배터리 성능을 개선하는 데 더 도움이 됩니다.
또한 두 개 이상의 전극 재료를 균일하게 혼합하면 배터리 성능을 향상시키거나 비용을 최적화할 수도 있습니다.
배터리 기술이 지속적으로 발전하고 업그레이드됨에 따라 리튬 배터리 균질화 시스템, 분말 공급 시스템과 같은 생산 장비도 끊임없이 혁신되고 업그레이드되고 있습니다.
많은 리튬 배터리 장비 공급업체가 혼합 및 분산 메커니즘을 심도 있게 연구합니다. 그들의 목표는 더 높은 생산 라인 통합, 더 높은 효율성, 더 낮은 에너지 소비 및 더 스마트한 제조를 달성하는 것입니다. 이러한 발전은 공정 개선 및 고품질 제품 제조의 기반을 형성합니다. 또한 분말 기술의 산업화를 나타냅니다.
결론
분말 기술은 리튬 배터리 전극 재료의 가공 및 배터리 제조에 많은 응용 분야가 있습니다. 분말 기술은 초미분 분쇄기와 분리할 수 없습니다. 초미분 분쇄기의 분말 가공 기술은 오토바이 및 어군 탐지기 배터리와 같은 리튬 배터리 제품의 준비, 후처리 및 전극 생산에서 핵심 기술이 되었습니다. 리튬 이온 배터리 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다.
분말 산업은 여러 부문에 걸쳐 있으며, 장비와 공정 원리도 서로 겹칩니다.
분말 기술 관점에서 리튬 배터리 전극 재료에 대한 새로운 통찰력을 얻는 것은 재료 준비 및 응용의 핵심 측면을 통합하는 데 도움이 됩니다. 이 접근 방식은 새로운 혁신 기회를 식별하고 리튬 배터리 산업의 발전을 더욱 촉진할 수 있습니다.
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