배터리/양극재/코발트망간계전구체재료

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그림1. ACM Pulverizer ACM-15HC

리튬이온 2차전지는 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동함으로써 충전과 방전이 이루어집니다. 그리고 리튬이온이 드나드는 물질을 활물질이라고 합니다. 

<양극활물질의 제조공정>
양극활물질의 제조공정은 2단계로 나뉩니다. 먼저, 전구체라 불리는 다양한 원료에서 활물질을 화학반응에 의해 합성하는 공정이 있고, 다음으로, 합성된 활물질을 조정하여 집전체에 도공하기까지의 공정이 있습니다. 

본 페이지에서는 코발트계·망간계 양극 재료의 전구체에 관한 기술을 소개하겠습니다.

 

코발트계의 대표는 코발트산 리튬LiCoO2LCO인데, 3원계로 불리는 Li(NiaMnbCo1-a-b)O2NMC와 Li(NiaCobAl1-a-b)O2NCA, 사원계로 불리는 복잡한 화학조성을 가진 활물질이 있으며, 각각의 특징을 살린 분야에서 사용됩니다. 또, 망간계에서는 LiMn2O4, Li2MnO3 등이 있습니다.


코발트계 전구체는 산화 코발트, 수산화 코발트, 옥시수산화 코발트, 탄산 코발트 등의 원료와 탄산 리튬, 수산화 리튬, 기타 재료로 산화 망간 등을 들 수 있습니다. 또, 망간계의 전구체는, 산화 망간이나 탄산 리튬 등이 있습니다. 활물질은 고상법을 이용해 제조하는 경우가 많습니다.


이하에서는 소성로에서 합성반응을 일으키기전 전구체 제조공정에서 건식미분쇄와 정밀혼합, 건조기술을 소개합니다.

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분쇄

고상법(固相法, The solid phase method)은 여러 가지 고체 원료를 혼합하여 소성하는 것으로, Mixing, 그리고 소성 공정으로 구성됩니다.

이와 같은 절차를 효율적으로 수행하려면 미반응물의 양을 최소화하고 석회화 온도를 제어하는 것이 중요합니다. 이 작업은 원재료의 미세 분쇄와 정밀 혼합을 통해 이루어지며, 분말 가공 기술이 생산 공정의 중요한 요소가 됩니다.

그림 2.
Fluidized bed opposed Jet mill
400/1 AFG

원료의 미립자화

고체 원료의 혼합은 입자형태에서 이뤄지지만, 만일 입자 지름이 크면 아래와 같은 문제가 발생합니다.

– 소성 시 가열시간이 길어짐
– 입자 내부에 미반응 부분이 남는 문제 (혼합시 원료 비접촉 부분 증가)
– 각 원료의 밀도차로 인한 편중에 따른 문제가 심화
– 입자간 접촉면적이 작아저 반응성이 나빠짐

이들 문제 해결에는 미분쇄기에 의한 원료의 미립화가 필수적입니다. 이 때, 금속오염을 0에 가깝게 하는 기술이 필요하며, 이를 위해 당사의 분급기 내장 충격식 분쇄기 ACM 펄버라이저나 유동층식 제트밀 AFG, Spiral Jet mill AS 등이 이용됩니다. 최근에는 보다 미세하고 좁은 입도분포를 달성하기 위해 MJT, MJQ 분급기 내장 타겟형 제트 밀 도 이용되고 있습니다.

그림 3. 삼원계원료 ACM-HC 분쇄

표1. 전구체분쇄 예

그림 4. Spiral Jetmill 200AS

고상반응을 위한 정밀혼합

소성에 의한 합성 반응을 촉진하려면, 다른 종류의 전구체 재료를 접촉시켜야 합니다. 그러나 앞서서의 미립자화로 인해 부착성, 응집성이 강해지고 동종의 물질들이 응집되면서 다른 종류의 입자를 접촉시키기 어려워집니다.

때문에 파우더 형태에 강한 전단력을 작용시키고 응집력을 이길 수 있는 에너지를 분체에게 전달하는 혼합기가 필요합니다.

사용되는 기계로는 강한 충격력과 전단력을 분체에 주는 Cyclomix나 압축 전단력을 분체에 주는 Nobilta가 이용됩니다.

그림 5. Cyclomix CLX-50

그림 6. Nobilta NOB-450

그림 7. 전구체처리 Process flow

건조

코발트계 일부 재료는 습식법으로 합성돼 활물질로 만들기 위해 소성됩니다. 소성 전에는 합성으로 사용한 용매와 분체를 분리하여 세척한 후 건조할 필요가 있습니다.

다만, 원료의 슬러리 점도가 높고 건조품의 부착응집성도 매우 강하기 때문에 일반적인 플래시 드라이어에서는 막힘현상이 잦고 연속처리가 어렵습니다. 또, 건조에 의한 재응집을 가능한 한 막을 필요가 있습니다.

 사용되는 기기로는 금속오염이 방지되도록 만들어진 매체 교반형 건조기 Xerbis나 교반 혼합형 진공 건조기가 이용됩니다.

그림 8. Xerbis XB-900

그림 9. Xerbis Process flow