전지소재 전구체 생산기술

양극재 전구체에 관해 이야기할 때 많은 사람들은 즉시 NCM, NCA, LFP 구성에 대해 생각합니다. 하지만 생산기술 자체가 단지 반응기에서 염을 혼합하는 것만은 아니다. 이는 원료부터 건조까지의 각 단계가 입자의 형태에 영향을 미치고 이에 따라 배터리의 최종 특성에 영향을 미치는 체인입니다. 흔한 실수는 화학물질의 순도에만 초점을 맞추고 결정화 및 응집 매개변수를 간과하는 것입니다. Huaxi Technology를 기반으로 설립된 설계 연구소인 Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd.에서는 이론적으로 올바른 구성이 필요한 에너지 밀도나 사이클 안정성을 제공하지 못했던 2013년부터 이러한 뉘앙스에 직면해 왔습니다.

원자재 및 첫 번째 단계: 눈에 띄지 않는 결함이 있는 곳

황산염, 질산염, 수산화물과 같은 진부한 것부터 시작하겠습니다. 전구체 염의 선택은 비용에만 의존하는 것이 아닙니다. 예를 들어 질산염은 침전 반응의 더 빠른 동역학을 제공하지만 온도와 pH의 엄격한 제어가 필요합니다. 그렇지 않으면 구형 응집체 대신 바늘 모양의 침전물이 얻어져 전극의 충전 밀도가 저하됩니다. 우리 Yizhi Technology는 이 문제를 겪었습니다. NCM 622의 초기 프로젝트 중 하나가 바로 이 문제를 발견했습니다. 실험실 샘플은 이상적이었지만 파일럿 라인에서 규모를 확대하면 입자의 구형성이 손실되었습니다. 문제는 용액을 반응기에 공급할 때 국지적인 농도 차이에 있다는 것이 밝혀졌습니다. 장비는 이상적인 혼합을 보장할 시간이 없었습니다.

기사에서 종종 놓치는 또 다른 사항이 있습니다. 바로 수질입니다. 네, 탈이온수가 표준입니다. 그러나 잔류 전기 전도성과 산소 함량은 합성 단계에서 망간 또는 코발트 이온의 산화에 영향을 미칠 수 있습니다. 원자가 안정성이 긴 사이클 수명의 핵심인 니켈 함량이 높은 화합물에 특히 중요합니다. 청두 현장에서는 반응기에 공급하기 전에 흐름의 추가 탈기를 도입했습니다. 이는 사소해 보이는 세부 사항이었지만 이를 통해 소성 후 완성된 전구체의 리튬 함량 변화를 줄이는 것이 가능해졌습니다.

그리고 공급자와의 이야기도 있습니다. 니켈이나 황산코발트가 모두 동일하게 생성되는 것은 아닙니다. 나트륨, 칼슘, 마그네슘 함량 - 이러한 원소의 미량이라도 최종 음극 재료로 이동하여 분해 센터 역할을 할 수 있습니다. 따라서 우리 연구소는 항상 비금속 분석뿐만 아니라 불순물에 대한 전체 분석 패키지를 요구합니다. 여기에서 Huaxi Technology의 화학 기술 경험은 매우 도움이 됩니다. 그들은 특정 프로젝트에 적용할 수 있는 원자재의 심층 정제 방법을 개발했습니다.

침전 반응기: 응집 제어 기술

이 공정의 핵심은 공침 반응기입니다. pH, 온도, 시약 공급 속도 조절에 대해서는 누구나 알고 있습니다. 그러나 교반기와 벽에 침전물이 달라붙는 문제에 대해 공개적으로 이야기하는 사람은 거의 없습니다. 이는 단순한 제품 손실이 아니라 반응기의 유체 역학 변화로 인해 입자의 다분산성이 증가합니다. 일부 테스트에서는 접착력을 최소화하기 위해 블레이드 재료와 반응기 코팅을 실험해야 했습니다. 항상 성공적인 것은 아닙니다. 테플론 코팅의 한 버전은 결국 마이크로플레이크로 벗겨져 제품을 오염시켰습니다.

1차 나노결정이 구형의 2차 입자로 응집되는 것이 아마도 가장 민감한 지점일 것이다. 혼합 속도, 착화제로서의 암모니아 농도, 체류 시간 등 모든 것이 서로 연결되어 있습니다. 큰 덩어리를 분해하기 위해 믹서의 속도를 높이지만 동시에 증착 동역학이 가속화되고 입자가 너무 조밀하고 다공성이 낮은 것으로 판명됩니다. 그리고 이는 소성 중에 리튬 혼합물을 함침시키는 데 좋지 않습니다. 이상적인 전구체는 단순한 구가 아니라 최적의 내부 구조를 갖춘 구입니다. 일부 고객의 경우, 우리는 응집체의 밀도 구배(밀도가 높은 코어와 느슨한 껍질)를 얻기 위해 좁은 범위에서 pH의 주기적 변화가 있는 모드를 특별히 개발했습니다.

온라인 모니터링도 여기서 언급할 가치가 있습니다. pH 및 산화환원 전위 센서 설치가 일반적입니다. 그러나 진정으로 안정적인 공정을 위해서는 레이저 회절과 같은 입자 크기의 실시간 제어가 필요합니다. 이는 비용이 많이 들고, 모든 공장이 그런 비용을 지출하는 것은 아닙니다. Yizhi Technology에서는 파일럿 플랜트에서 이러한 시스템을 사용하고 있으며, 여기서 얻은 데이터는 기술 디버깅을 위한 황금 자금입니다. 제어되지 않은 집계 또는 반대로 입자 분쇄가 시작되는 순간을 포착할 수 있습니다.

여과, 세척, 건조: 눈에 보이지 않는 품질 손실

원자로 이후 - 역학처럼 보일 것입니다. 하지만 아닙니다. 여과 및 세척은 암모니아뿐만 아니라 황산염 또는 질산염 이온을 제거하는 것입니다. 헹굼이 효과적이지 않은 경우 하소 중 잔류 황산염은 황산화물을 생성하며, 이는 리튬과 반응하여 입자 표면에 황산리튬을 형성할 수 있습니다. 이는 용량을 저하시키는 요인입니다. 물을 절약하기 위해 세척 주기를 단축하려고 할 때 이런 문제가 발생했습니다. 절감 효과는 역효과를 냈습니다. 전구체 배치는 음극이 제조된 후 높은 임피던스를 나타냈습니다. 우리는 여과액 전도도를 제어하면서 다단계 역류 세척으로 돌아가야 했습니다.

건조는 또 다른 중요한 단계입니다. 분무 건조가 표준입니다. 그러나 건조탑 입구와 출구의 온도는 잔류 수분뿐만 아니라 이미 건조된 입자의 응집 정도도 결정합니다. 온도가 너무 높으면 입자가 소결되어 부서지지 않는 단단한 덩어리가 형성됩니다. 너무 낮음 - 분말은 흡습성이 있으며 보관 중에 수분을 얻습니다. 우리는 응집체의 느슨한 구조를 보존하기 위해 NCA 전구체에 대한 체제를 선택하는 데 오랜 시간을 보냈습니다. 현탁액을 분무기에 공급하는 방법도 중요합니다. 노즐이 막히면 크기가 다른 물방울이 생기고 결과적으로 입자 크기가 광범위하게 분포됩니다.

중간 생성물의 보관은 별도의 논의 주제입니다. 전구체, 특히 니켈을 함유한 전구체는 흡습성이 있습니다. 이중 폴리에틸렌 라이너와 불활성 분위기를 갖춘 큰 가방에 포장하는 것은 사치가 아니라 필수입니다. 협력업체 중 한 곳에서 가방이 불량 창고에 보관된 사례가 있었습니다. 1개월 후, 분말의 수분 함량이 0.5% 증가하여 뭉침 현상이 발생하고 다음 단계에서 리튬 함유 시약과의 혼합 균일성에 문제가 발생하였다.

하소 및 후속 변환

전구체 자체는 아직 양극재가 아닙니다. 혼합된 수산화물 또는 탄산염입니다. 핵심 단계는 리튬염(대부분 Li2CO3 또는 LiOH)과의 고체상 반응입니다. 여기서 전구체의 생산 기술은 그것이 얼마나 좋은지 보여줍니다. 입자 크기의 이질성 또는 잔여 불순물로 인해 불완전한 리튬화 또는 국부적인 과열이 발생합니다. 오븐, 대기(산소 또는 공기), 온도 프로필이 모두 중요합니다.

우리 프로젝트에서는 에너지 절약을 위해 소성 온도를 낮추라는 요청을 자주 받습니다. 그러나 공격적인 증착 조건에서 얻은 조밀하고 다공성이 낮은 전구체 입자의 경우 이는 작동하지 않을 수 있습니다. 즉, 리튬이 입자 코어로 확산될 시간이 없습니다. 그 결과 과립 중앙에 리튬 결핍 물질이 생성됩니다. 따라서 때로는 온도를 낮추는 것이 아니라 보다 적합한 형태를 얻기 위해 증착 공정 자체를 수정하는 것이 좋습니다. 체계적인 작업입니다.

하소 후 파쇄, 분급, 코팅하는 경우도 있습니다. 그리고 여기서 다시 전구체 생산 단계에서 발생한 결함이 드러납니다. 건조 후 단단한 소결 응집체가 있는 경우 소성 후 동일한 단단한 덩어리로 변할 것이며 원하는 비율로 균일하게 분쇄하는 것이 극히 어려울 것입니다. 코팅을 위해 산화알루미늄과 혼합하는 경우에도 균일하지 않습니다. 모든 것은 체인의 시작부터 시작됩니다.

최종 생각: 프로젝트 접근 방식이 차이를 만드는 이유

따라서 전구체를 생산하는 기술은 일련의 레시피가 아닙니다. 이는 화학, 유체 역학, 열 및 물질 전달, 재료 과학 간의 관계에 대한 이해입니다. 어떤 단계에서든 오류는 최종 제품에 다시 나타나며, 오류가 발생한 곳이 아닌 다른 곳에서 원인을 찾는 경우가 많습니다. 그렇기 때문에 Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd.는 설계 연구소로 일하고 있습니다. 원자재 선택부터 완성된 양극재 테스트까지 전체 체인을 추적하고 문제의 근본 원인을 찾을 수 있습니다.

1억 2천만 위안에 달하는 우리의 자본과 Huaxi Technology 형태의 기반을 통해 우리는 이론화뿐만 아니라 실제 장비에 대한 테스트를 파일럿 규모까지 수행할 수 있습니다. 그것은 매우 귀중합니다. 수십 개의 기사를 읽을 수 있지만 복용량이 실패할 때 반응기의 현탁액 색상이 어떻게 변하는지 확인하거나 서로 다른 라인에서 나온 두 배치의 분말의 유동성 차이를 느낄 때만 동일한 전문적 본능이 나타납니다.

이제 니켈 함량이 높은 NCM, 코발트가 없는 재료 등 새로운 구성을 둘러싸고 많은 소음이 발생합니다. 그러나 그 기반은 여전히 ​​동일합니다. 즉, 고품질, 재현 가능, 미세 제어 전구체입니다. 생산 기술에 대한 깊은 연구 없이는 에너지 밀도와 내구성에 대한 모든 야심 찬 진술은 종이에 남을 것입니다. 그리고 우리가 언급한 실패를 포함한 우리의 경험이 이를 가장 잘 확증해 줍니다. 작업은 계속되고 있으며 주요 발견은 종종 작고 명확하지 않은 단점을 수정하는 데 있습니다.