음극 재료, 4대 주요 재료 중 하나 리튬 배터리 (음극, 양극, 분리막, 전해질)은 리튬 배터리의 핵심 구성 요소이며, 배터리 가격의 상당 부분을 차지합니다. 특히 양극 소재의 가격이 배터리 가격을 결정하는 주요 요인입니다. 리튬 배터리 양극 소재 중 주류 소재로는 리튬코발트산화물(LCO) 등이 있습니다., 리튬 철 인산 리튬 철 인산염(LFP), 리튬 망간 철 인산염(LMFP), 니켈 코발트 망간 리튬 산화물(NCM), 리튬 망간 산화물(LMO) 등이 있습니다. 이들의 생산 공정은 약간씩 다르지만 기본 원리는 유사합니다. 전구체 물질을 혼합하여 제조합니다. 탄산리튬 또는 수산화리튬을 고온에서 가열하여 생성물을 얻습니다.
리튬인산철의 제조 공정은 크게 고상법과 액상법 두 가지로 나뉜다. 고상법에는 인산철법, 철법, 적색철법, 옥살산철법 등 다양한 방식이 있으며, 각 방식은 장단점이 있다. 액상법은 주로 데팡나노에서 개발한 자가증발 액상법으로 대표되지만, 기술적 진입 장벽이 높다. 본 논문에서는 주류 기술인 인산철법을 예로 들어 설명한다.
혼합 및 분쇄
반응 재료는 분쇄하여 완전히 혼합함으로써 후속 소결 공정에서 반응이 효과적으로 진행되도록 합니다. 이 단계에서 사용되는 장비는 샌드밀입니다. 인산철, 탄산리튬, 탄소원(포도당, 자당, 폴리에틸렌 글리콜 등), 분산제 및 첨가제를 포함한 주요 원료는 정확한 화학량론적 비율로 혼합 장비에 투입됩니다. 순수한 물 또는 에탄올을 사용하여 사전 분산을 수행한 후 샌드밀에서 분쇄합니다. 이 과정은 원하는 결과가 얻어질 때까지 계속됩니다. 입자 크기 (일반적으로 500nm 미만)의 파장이 구현됩니다.
인산철과 탄산리튬이 주요 반응물입니다. 탄소 공급원은 탄소 생성에 중요한 역할을 합니다. 코팅 고온 소결 과정에서 리튬 인산철 표면에 산화철(Fe³⁺)이 형성됩니다. 이는 전도성을 향상시키고 Fe³⁺ 생성을 방지합니다. 분산제는 슬러리의 분산성과 고형분 함량을 높입니다. 일부 고분자 물질은 소결 후 탄소 코팅을 형성하여 재료 성능을 향상시키기도 합니다.
전도성 흑연, 탄소 나노튜브 또는 금속 산화물과 같은 첨가제는 최종 제품의 전도성, 고온/저온 성능 및 사이클 안정성을 향상시킵니다.
분무 건조
이 단계에서는 분쇄 공정에서 생성된 혼합 슬러리 내의 용매를 제거합니다. 이를 통해 슬러리는 후속 소결 공정을 위한 건조 분말로 변환됩니다. 이때 분무 건조기가 사용됩니다.
슬러리는 원심 노즐을 통해 미세한 물방울로 분무됩니다. 이 물방울들은 가열된 공기와 접촉하게 됩니다. 이 과정에서 용매가 증발하고 고체 분말 입자만 남게 됩니다. 이 입자들은 사이클론 분리기를 통해 수집됩니다. 분무 건조 공정을 통해 슬러리는 소결 준비가 완료된 건조 분말로 변환됩니다.
소결
분말 혼합물은 질소로 보호된 용광로에서 고온 반응을 거치는데, 이것이 공정의 핵심 단계입니다. 소결 공정의 온도와 시간은 최종 제품의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 사용되는 장비는 길이가 수 미터에 달하는 롤러 킬른입니다.
주요 반응은 다음과 같습니다.
FePO₄ + Li₂CO₃ + C₆H₁₂O₆ → LiFePO₄/C + H2O + CO₂
분무 건조된 분말을 도가니에 넣고 질소 분위기 하에서 700~800°C의 온도로 수 시간(보통 10~20시간) 동안 가열로에서 소결한다. 냉각 후 생성물을 얻는다. 소결 전 분말은 옅은 노란색이며, 소결 후에는 검은색 분말이 된다.
초미세 분쇄 및 철분 제거
소결 후, 리튬 철 인산염 제품은 원하는 입자 크기를 얻기 위해 추가적으로 분쇄해야 합니다. 생산 과정에서 철 불순물이 혼입될 수 있으며, 이러한 불순물은 제거해야 합니다.
이는 다음과 같은 장비를 사용하여 수행할 수 있습니다. 제트밀 (에어젯밀제트 밀은 철 제거 장치를 갖추고 있습니다. 제트 밀은 입자 크기를 효과적으로 줄이는 동시에 불순물을 분리할 수 있습니다. 이를 통해 최종 리튬 철 인산염 제품의 순도를 높일 수 있습니다. 철 제거 후, 제품은 포장되어 출하됩니다.
결론
리튬인산철은 리튬 배터리의 주요 양극 소재입니다. 저렴한 가격, 높은 안전성, 긴 수명 등의 장점으로 시장에서 널리 사용되고 있습니다. 리튬인산철의 주요 생산 방법은 인산철법입니다. 이 공정 자체는 비교적 간단하지만, 최종 제품의 품질은 인산철 전구체의 품질에 크게 좌우됩니다.
옥살산철법과 같은 다른 방법들이 점차 시장 점유율을 높여가고 있습니다. 이러한 방법들은 탭 밀도가 더 높은 재료를 생산합니다.
제트 밀 제조 분야의 선두 기업인 에픽 파우더(Epic Powder)는 리튬 배터리 산업에 첨단 고효율 분말 가공 솔루션을 제공합니다. 에픽 파우더의 최첨단 제트 밀 장비는 입자 크기 감소와 철 불순물 제거에 탁월한 성능을 발휘합니다. 에픽 파우더의 제트 밀을 활용하면 생산 업체는 최고 품질의 리튬 인산철을 확보하여 리튬 이온 배터리의 전반적인 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다. 기술이 지속적으로 발전함에 따라 제트 밀은 리튬 생산의 효율성과 지속가능성을 개선하는 데 더욱 중요한 역할을 할 것입니다. 배터리 소재 생산.
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— 게시자 에밀리 첸