리튬전지용 양극재 품질관리

리튬전지용 양극재 품질관리

리튬이온 배터리의 성능은 양극재의 품질과 밀접한 관련이 있습니다.

이 기사에서는 금속 이물질과의 혼합, 과도한 수분 및 불량한 배치 일관성과 같이 리튬 이온 배터리의 성능에 심각한 영향을 미치는 양극 재료의 여러 가지 실패 형태를 소개합니다. 이러한 고장이 배터리 성능에 미치는 심각한 피해를 설명하고 품질 관리 관점에서 이러한 고장을 방지하는 방법을 설명하여 품질 문제를 더욱 예방하고 리튬 이온 배터리의 품질을 향상시킬 수 있는 강력한 보장을 제공합니다.

우리 모두 알고 있듯이 양극재는 리튬이온 배터리의 핵심 핵심 소재 중 하나이며, 그 성능은 리튬이온 배터리의 성능 지표에 직접적인 영향을 미칩니다. 현재 시판되는 리튬 이온 배터리 양극 재료에는 코발산 리튬, 망간산 리튬, 인산 철 리튬, 삼원계 재료 및 기타 제품이 포함됩니다.

다른 리튬이온 배터리 원재료에 비해 양극재의 종류가 다양하고, 생산공정도 복잡하며, 품질실패의 위험도 높아 품질관리 요구사항이 더 높습니다. 이 기사에서는 재료 사용자의 관점에서 리튬 이온 배터리용 양극 재료의 일반적인 고장 형태와 해당 예방 조치에 대해 설명합니다.

1. 양극재에 금속 이물이 혼입된 경우

양극재에 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 아연(Zn), 은(Ag) 및 기타 금속 불순물이 있을 때, 양극재의 형성 단계에서 전압이 배터리가 이러한 금속 원소의 산화 및 환원 전위에 도달하면 이러한 금속은 먼저 양극에서 산화된 다음 음극으로 환원됩니다. 음극의 금속 성분이 어느 정도 축적되면 침전된 금속의 딱딱한 가장자리와 모서리가 다이어프램을 뚫고 배터리의 자체 방전을 유발합니다.

자체 방전은 리튬 이온 배터리에 치명적인 영향을 미칠 수 있으므로 소스에서 금속 이물질의 유입을 방지하는 것이 특히 중요합니다.

양극재는 생산 공정이 다양하며, 제조 공정의 모든 단계에서 금속 이물질이 유입될 위험이 있습니다. 이는 장비 자동화 수준과 자재 공급업체의 현장 품질 관리 수준에 대한 더 높은 요구 사항을 제시합니다. 그러나 재료 공급업체는 비용 제약으로 인해 장비 자동화 수준이 낮은 경우가 많아 생산 및 제조 프로세스에 더 많은 중단점이 발생하고 통제할 수 없는 위험이 증가합니다.

따라서 안정적인 배터리 성능을 보장하고 자체 방전을 방지하기 위해 배터리 제조업체는 인간, 기계, 재료, 방법, 환경의 5가지 측면에서 금속 이물질의 유입을 방지하기 위해 재료 공급업체를 홍보해야 합니다.

인사 통제부터 직원은 금속 이물질을 작업장에 반입하는 것을 금지하고, 장신구를 착용하며, 작업장에 들어갈 때 작업복, 신발, 장갑을 착용하여 분말과 접촉하기 전에 금속 이물질과의 접촉을 피해야 합니다. 감독 및 검사 메커니즘을 구축하고 직원의 품질 인식을 배양하며 작업장 환경을 의식적으로 준수하고 유지하도록 합니다.

생산 장비는 재료와 접촉하는 장비 구성 요소 및 도구의 녹 및 고유한 재료 마모와 같은 이물질 도입의 주요 링크입니다. 재료와 직접 접촉하지 않는 장비 구성 요소 및 도구, 작업장의 공기 흐름으로 인해 먼지가 재료에 달라붙어 부유합니다. 충격 정도에 따라 페인팅, 비금속 재료 코팅(플라스틱, 세라믹)으로 교체, 금속 부품 포장 등 다양한 처리 방법을 채택할 수 있습니다. 또한 관리자는 금속 이물질 관리 방법을 명확하게 정의하고 체크리스트를 수립하며 직원에게 정기적인 검사를 실시하여 잠재적인 문제를 예방하기 위한 해당 규칙 및 규정을 제정해야 합니다.

원자재는 양극재에 포함된 금속 이물질의 직접적인 공급원입니다. 구매한 원자재에는 금속 이물질 함량에 대한 규정이 있어야 합니다. 공장에 들어간 후에는 엄격한 검사를 실시하여 함량이 규정 범위 내에 있는지 확인해야 합니다. 원료 중 금속 불순물 함량이 기준치를 초과할 경우 후속 공정에서 제거가 어렵다.

금속 이물질을 제거하기 위해 전자철 제거는 양극재 생산에 있어 필수 공정이 되었습니다. 전자철 제거 기계가 널리 사용되지만, 이 장비는 구리, 아연 등 비자성 금속 물질에는 작동하지 않습니다. 따라서 작업장에서는 구리 및 아연 구성 요소의 사용을 피해야 합니다. 필요한 경우, 분말과의 직접적인 접촉이나 공기에의 노출도 피하는 것이 좋습니다. 또한 전자철 제거기의 설치 위치, 설치 횟수 및 매개변수 설정도 철 제거 효과에 일정한 영향을 미칩니다.

작업장 환경을 보장하고 작업장 내 정압을 달성하기 위해서는 외부 먼지가 작업장으로 유입되어 물질을 오염시키는 것을 방지하기 위한 이중문과 에어샤워 도어를 설치하는 것도 필요합니다. 동시에 작업장 장비와 강철 구조물은 녹이 슬지 않도록 해야 하며, 바닥도 칠하고 정기적으로 자기를 제거해야 합니다.

2. 양극재의 수분 함량이 기준을 초과합니다.

양극 재료는 대부분 마이크론 또는 나노 크기의 입자로 공기 중 수분을 쉽게 흡수하며, 특히 Ni 함량이 높은 삼원계 재료입니다. 양극 페이스트를 준비할 때 양극 재료의 수분 함량이 높으면 슬러리 혼합 과정에서 NMP가 물을 흡수한 후 PVDF의 용해도가 감소하여 페이스트 겔이 젤리가 되어 가공 성능에 영향을 미칩니다. 배터리를 만든 후에는 배터리의 용량, 내부 저항, 순환 및 배율이 영향을 받으므로 금속 이물질과 같은 양극 재료의 수분 함량이 핵심 제어 프로젝트가 되어야 합니다.

생산 라인 장비의 자동화 수준이 높을수록 분말이 공기 중에 노출되는 시간이 짧아지고 물이 덜 유입됩니다. 전체 파이프라인 운송 달성, 파이프라인 이슬점 모니터링, 자동 로딩 및 언로딩을 달성하기 위한 로봇 암 설치 등 장비 자동화를 개선하도록 자재 공급업체를 장려하는 것은 습기 유입을 방지하는 데 크게 기여합니다. 그러나 일부 재료 공급업체는 공장 설계나 비용 압박으로 인해 제한을 받고 있으며, 장비 자동화 수준이 높지 않고 제조 공정에 중단점이 많은 경우 분말의 노출 시간을 엄격하게 제어할 필요가 있습니다. 이송 과정에서 분말을 위해 질소로 채워진 통을 사용하는 것이 가장 좋습니다.
생산 작업장의 온도와 습도도 핵심 제어 지표이며 이론적으로 이슬점이 낮을수록 유리합니다. 대부분의 재료 공급업체는 소결 공정 후 수분 제어에 중점을 둡니다. 그들은 약 섭씨 1000도의 소결 온도가 분말에 있는 대부분의 수분을 제거할 수 있다고 믿습니다. 소결 공정에서 포장 단계까지의 수분 도입을 엄격하게 제어하면 기본적으로 재료의 수분 함량이 표준을 초과하지 않도록 보장할 수 있습니다.

물론, 소결 공정 전에 수분을 조절할 필요가 없다는 뜻은 아니다. 이전 공정에서 너무 많은 수분이 유입되면 소결 효율과 소재의 미세구조에 영향을 미치기 때문이다. 또한, 포장 방법도 매우 중요합니다. 대부분의 자재 공급업체는 진공 포장을 위해 알루미늄 비닐봉지를 사용하는데, 이는 현재 가장 경제적이고 효과적인 방법으로 보입니다.

물론, 다양한 재료 디자인은 코팅 재료 및 비표면적의 차이와 같이 수분 흡수에 상당한 차이를 가질 수 있으며, 이는 수분 흡수에 영향을 줄 수 있습니다. 일부 소재 공급업체에서는 제조 과정에서 수분 유입을 방지하고 있지만, 소재 자체가 물을 쉽게 흡수하는 특성을 갖고 있어 전극판으로 만든 후 수분을 건조시키는 것이 극히 어려워 배터리 제조업체에 문제를 일으키고 있다. 따라서 신소재를 개발할 때에는 수분흡수 문제를 고려하고, 보편성이 높은 소재 개발이 수요와 공급 모두에 큰 도움이 되어야 한다.

3. 3가지 양극 재료의 배치 일관성이 좋지 않음

배터리 제조업체의 경우 양극 재료 배치 간의 차이가 작고 일관성이 향상될수록 완성된 배터리의 성능이 더욱 안정적일 수 있습니다. 우리 모두 알고 있듯이 인산철리튬 양극재의 주요 단점 중 하나는 배치 안정성이 좋지 않다는 것입니다. 펄프화 공정에서 배치 변동이 크기 때문에 각 배치의 슬러리의 점도와 고형분 함량이 불안정하여 사용자에게 문제를 일으키고 이에 적응하려면 지속적인 공정 조정이 필요합니다.

생산 장비의 자동화 수준을 향상시키는 것은 인산철리튬 재료의 배치 안정성을 향상시키는 주요 수단입니다. 그러나 현재 국내 인산철리튬 재료 공급업체의 장비 자동화 수준은 일반적으로 낮고 기술 수준과 품질 관리 능력은 높지 않으며 제공되는 재료에는 다양한 정도의 배치 불안정 문제가 있습니다. 사용자의 관점에서 배치 차이를 제거할 수 없다면 동일한 배치의 재료가 균일하고 안정적이라면 배치의 무게가 클수록 좋습니다.

따라서 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 철 리튬 재료 공급업체는 완제품을 만든 후 여러 배치의 재료를 균일하게 혼합하는 혼합 공정을 추가하는 경우가 많습니다. 혼합 주전자의 부피가 클수록 더 많은 재료가 포함되며 혼합 배치의 양이 더 많아집니다.

철 리튬 물질의 입자 크기, 비표면적, 수분, pH 값 및 기타 지표는 생성된 슬러리의 점도에 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 이러한 지표는 특정 범위 내에서 엄격하게 제어되는 경우가 많으며 슬러리 배치 간에 점도에 상당한 차이가 있을 수 있습니다. 배치 사용 중 이상 현상을 방지하기 위해 사용하기 전에 생산 공식을 시뮬레이션하고 일부 슬러리 점도 테스트를 미리 준비해야 하는 경우가 많으며 요구 사항을 충족한 후에만 사용할 수 있습니다. 그러나 배터리 제조업체가 실시하는 경우 각 생산 전에 테스트를 수행하면 생산 효율성이 크게 떨어지므로 이 작업을 재료 공급업체에 전달하고 재료 공급업체가 배송 전에 테스트를 완료하고 요구 사항을 충족하도록 요구합니다.

물론, 기술의 발전과 소재공급업체의 공정능력의 향상으로 인해 물성의 분산이 점점 작아지고 있어, 출하 전 점도를 테스트하는 단계를 생략할 수 있게 되었습니다. 일관성을 향상하기 위해 위에서 언급한 조치 외에도 배치 불안정성을 최소화하고 품질 문제가 발생하지 않도록 방지하기 위해 품질 도구도 사용해야 합니다. 주로 다음과 같은 측면에서 시작됩니다.

(1) 운영 절차를 수립합니다.

제품의 고유한 품질은 설계와 제조 모두에서 결정됩니다. 따라서 작업자의 작업 방식은 특히 제품 품질 관리에 중요하며, 상세하고 구체적인 작업 표준을 수립해야 합니다.

(2) CTQ의 식별.

제품 품질에 영향을 미치는 핵심 지표와 프로세스를 식별하고, 이러한 핵심 관리 지표를 모니터링하며, 상응하는 비상 대응 조치를 개발합니다. 오르토인산 철도 노선은 현재 인산철리튬 제조의 주류입니다. 공정에는 Batching, Ball Milling, Sintering, 분쇄, 포장 등이 포함됩니다. Ball Milling 공정은 Ball Milling 후 1차 입자 크기의 일관성을 잘 제어하지 못하면 입자의 일관성이 떨어지기 때문에 핵심 공정으로 관리되어야 합니다. 완제품의 크기가 영향을 받아 재료의 배치 일관성에 영향을 미칩니다.

(3) SPC의 사용.

주요 프로세스의 핵심 특성 매개변수에 대한 SPC 실시간 모니터링을 수행하고, 이상 지점을 분석하고, 불안정한 원인을 식별하고, 효과적인 시정 및 예방 조치를 취하여 불량 제품이 고객에게 유입되는 것을 방지합니다.

4. 기타 불리한 상황

슬러리를 만들 때 양극재는 슬러리 탱크에서 용제, 접착제, 도전제와 일정 비율로 균일하게 혼합된 후 파이프라인을 통해 배출됩니다. 출구에 필터스크린을 설치하여 양극재에 있는 큰 입자와 이물질을 차단하고 코팅의 품질을 보장합니다. 양극 재료에 큰 입자가 포함되어 있으면 필터 스크린이 막힐 수 있습니다. 큰 입자의 조성이 여전히 양극 재료 자체라면 생산 효율에만 영향을 미치고 배터리 성능에는 영향을 미치지 않으며 이러한 손실을 줄일 수 있습니다. 그러나 이러한 큰 입자의 조성이 불확실하고 다른 금속 이물질인 경우 이미 만들어진 슬러리는 완전히 폐기되어 막대한 손실을 초래하게 됩니다.

이러한 이상 현상의 발생은 자재 공급업체 내부의 품질 관리 문제로 인해 발생해야 합니다. 대부분의 양극재는 스크리닝 공정을 거쳐 생산되며, 스크린 손상 여부를 점검하고 적시에 교체합니다. 화면이 손상된 경우 누출 방지 조치가 없으며 공장 검사 중에 큰 입자가 감지되는지 여부는 여전히 개선되어야 합니다.