리튬 이온 배터리 생산에서, 양극 초미세 분쇄 공정 이는 특히 천연 또는 인공 흑연 양극(그리고 점점 더 실리콘 기반 또는 실리콘-탄소 복합 재료)에 있어 매우 중요한 단계입니다. 목표는 일반적으로 수 마이크론에서 수 마이크론 범위의 입자 크기(예: D50이 5~15μm 또는 일부 고급 양극의 경우 더 미세함)를 달성하고, 입자 크기 분포를 좁히고, 높은 구형도(특히 천연 흑연의 구상화의 경우)를 확보하며, 비표면적을 극대화하여 전기화학적 성능을 향상시키는 것입니다.
하지만 이러한 고에너지 크기 축소 공정은 금속 오염, 특히 철(Fe) 오염의 심각한 위험을 초래합니다. 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등도 오염될 수 있습니다. 고급 배터리 소재에 요구되는 미량의 철(Fe) 오염조차도(일반적으로 10~50ppm 미만) 배터리의 안전성과 수명을 심각하게 저해할 수 있습니다.
- 금속 입자는 촉매 역할을 하여 SEI 성장 및 전해질 분해를 가속화합니다.
- 이로 인해 미세 단락, 리튬 덴드라이트 형성 또는 열 폭주가 발생할 수 있습니다.
- 특히 철 오염은 리튬과 직접 반응하여 쿨롱 효율을 저하시킵니다.
금속 오염의 주요 원인 초미세 분쇄
주요 오염 경로는 고강도 분쇄 과정에서 연삭 매체, 라이닝 및 분류기 구성 요소의 마모입니다.
배터리 양극재에 일반적으로 사용되는 초미세 분쇄 방법은 다음과 같습니다.
- 유동층 대향 제트 밀 (AFG 유형) → 오염에 민감한 흑연에 주로 사용됨.
- 기계식 충격 밀 분류기 포함(예: 특수 배터리 등급 변형이 포함된 ACM 스타일).
- 비드 밀 / 교반식 비드 밀 (습식 초미세 분쇄, 실리콘-흑연 복합재료 또는 코팅 전 분산에 사용됨)
- 유성형/교반식 볼밀 (최종 양극의 경우 오염 위험이 높아 덜 일반적입니다.)
주요 오염원:
- 연삭 매체 마모 (구슬, 공).
- 밀 본체/라이닝/노즐/분류기 휠 마모.
- 공급/이송 시스템 금속 입자 배출.
- 공기/가스 중 미립자 (제대로 필터링되지 않은 경우).
금속 오염 방지를 위한 핵심 전략
배터리 등급의 순도를 달성하기 위해 업계에서는 장비 선정, 재료 선택, 공정 최적화 및 후처리를 결합한 다층적인 접근 방식을 채택합니다.
1. 비금속/저마모성 접촉 재료를 선택하십시오.
| 요소 | 추천 자료 | 목적/이점 | 일반적인 오염 감소 |
|---|---|---|---|
| 분쇄실 내벽 | 세라믹(Al2O₃, ZrO2, SiC, Si₃N₄) | 철/크롬 방출을 방지합니다. | >90–95% 대 강철 |
| 노즐/제트 | 세라믹 또는 폴리우레탄 | 금속을 사용하지 않는 고속 가스 가속 | 제트 밀에 필수적입니다. |
| 분류기 휠 | 세라믹 코팅 또는 전체 세라믹 | 고속 분류 중 마모를 방지합니다. | D90 제어에 중요함 |
| 분쇄 매체(비드 밀) | 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 순수 알루미나, SiC | 고밀도 세라믹 중 가장 낮은 마모율 | Fe <5–20 ppm 가능성 있음 |
| 피하다 | 스테인리스강, 크롬강, 경질 금속 | 짧은 주행 후에도 높은 오염도가 나타납니다. | — |
많은 최신 배터리급 제트 밀(예: 특수 ACM-BC 또는 AFG 변형 모델)은 거의 금속이 없는 가공을 달성하기 위해 전체 세라믹 접촉 부품으로 특별히 설계되었습니다.
2. 적절한 분쇄 기술 선택
- 우선의유동층 대향 제트 밀 → 입자 간 충돌에 의한 자체 분쇄, 매체/내부 라이닝 접촉 최소화 → 흑연 구상화 및 초미세 분쇄 시 오염 위험 최소화.
- (주의사항을 준수하면) 허용 가능세라믹 내부 부품을 사용한 건식 기계식 충격 분쇄기.
- 주의해서 사용하십시오.습식 비드 밀링 → 고순도 세라믹 비드와 최적화된 pH/슬러리 첨가제를 사용하여 마모를 줄입니다. 종종 그 후에 자력 분리 공정을 거칩니다.
- 최종 양극 단계에서 피하십시오.: 특별한 주의 사항 없이 사용하는 전통적인 강철 볼 밀링 또는 마모기.
3. 마모를 최소화하기 위한 공정 매개변수 최적화
- 제트 밀에서 분쇄 압력/가스 유량을 낮추면 처리량과 분쇄 정밀도 사이에 상충 관계가 생깁니다.
- 분쇄 시간과 에너지 투입량을 제어하여 과분쇄를 방지하십시오.
- 습식 분쇄에 공정 제어제(PCA, 예: 최적화된 pH, 분산제)를 사용하면 응집 및 매체 마모를 줄일 수 있습니다.
- 저온을 유지하십시오 → 고온은 부식/마모를 가속화합니다.
4. 상류 및 보조 시스템 제어
- 사용 고순도 원료 (내재적인 금속 함량이 낮음).
- 설치하다 인라인 자석 분리기 (고경사) 제분 후.
- 고용 금속 탐지기 + 자동 배출 밸브.
- HEPA급 필터가 장착된 깨끗하고 건조한 압축 공기/질소를 사용하십시오.
- 운영하다 클린룸과 같은 또는 제어된 대기 환경(특히 후속 처리의 경우).
- 정기적인 청소 검증 모든 제품 접촉면을 (초음파 + 용매)로 처리합니다.
5. 분쇄 후 정제 (필요시)
최상의 관리 방법을 사용하더라도 미량 금속이 검출될 수 있습니다.
- 자기 분리 (강력한 희토류 자석) → 강자성 철 입자를 제거합니다.
- 산 침출 (매우 온화하고 제어된) → 특정 실리콘 양극에 소량 사용됩니다.
- 항공 분류 다시 → 밀도가 높은 금속 조각을 제거합니다.
- ICP-MS 모니터링 → 철, 크롬, 니켈 등에 대한 정기 배치 테스트
요약 – 양극 초미세 분쇄를 위한 최적의 조합
고성능 리튬 이온 배터리 음극 생산(특히 전기차용)의 경우:
- 세라믹 라이닝과 세라믹 노즐이 장착된 유동층 대향 제트 밀을 사용하십시오.
- 제품 생산 과정에서 강철 부품을 일절 사용하지 마십시오.
- 인라인 자기 분리 및 금속 탐지 기능을 구현하십시오.
- 철 함량을 배치별로 모니터링하십시오(<프리미엄 등급의 경우 20ppm 미만을 목표로 함).
- 금속 파편이 발생하지 않는 고급형 유연 커넥터와 같은 깨끗한 이송 장치와 함께 사용하십시오.
이러한 조치를 시행하면 수백 ppm(기존 강철 시스템)에 달하는 금속 오염을 한 자릿수 또는 그 이하 ppm 수준으로 줄일 수 있어 배터리 수명, 안전성 및 첫 번째 충방전 효율을 직접적으로 향상시킬 수 있습니다.
양극 초미세 분쇄 단계에서의 엄격한 오염 제어는 더 이상 선택 사항이 아니라 배터리 소재 공급망의 핵심 경쟁력 요소 중 하나가 되었습니다.
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— 게시자 에밀리 첸
