첨단 기술의 지속적인 발전과 함께, 고급 세라믹 분말 및 제품은 특정 첨단 기술 분야에서 핵심 소재이자 병목 현상이 되고 있습니다. 리튬 배터리 산업, 리튬 배터리 생산 과정에서 일부 세라믹 소재는 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 소재는 전극이나 분리막으로 직접 사용되거나, 포장재로 사용되거나, 생산 공정의 보조 재료로 사용될 수 있습니다. 리튬 배터리 산업의 수요 증가로 세라믹 소재 시장은 급성장하고 있습니다. 오늘은 이러한 세라믹 소재에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 세라믹 재료 리튬 배터리를 생산하려면 다음이 필요합니다.
리튬 이온 배터리는 주로 양극재, 음극재, 분리막, 전해질, 포장재의 다섯 부분으로 구성됩니다. 그중 분리막은 기술적으로 가장 어려운 부분입니다. 배터리 소재, 분리막 비용은 10%에서 14%를 차지하며, 양극재 다음으로 두 번째로 큰 비중을 차지합니다. 고성능 배터리의 경우 분리막 비용은 최대 20%에 달할 수도 있습니다.
기존 분리기의 단점
상용화된 리튬 이온 배터리 분리막은 주로 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)으로 만들어진 미세 다공성 막입니다. 이러한 폴리올레핀 분리막에는 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 외부 온도가 분리막의 융점에 도달하거나 초과하면 분리막이 수축하거나 녹아 배터리 내부의 열 폭주 또는 단락을 유발할 수 있습니다. 따라서 배터리 안전성을 향상시키기 위해서는 분리막의 크기와 모양을 유지하는 것이 매우 중요합니다. 둘째, 폴리올레핀 분리막의 극성이 유기 전해질의 극성과 일치하지 않아 전해질과의 젖음성이 떨어집니다. 즉, 반복적인 충방전 주기 동안 분리막의 비수계 전해질 보유 능력이 약해져 배터리 사이클 성능에 영향을 미칩니다.
세라믹 분리막의 장점 및 대표적인 재료
현재 세라믹 분리막은 제조 방법에 따라 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 한 가지 방법은 기존의 폴리올레핀 분리막이나 부직포를 기저막으로 사용하는 것입니다. 그 위에 세라믹 층을 증착합니다. 코팅 그런 다음 접착, 열압착 또는 접합과 같은 방법을 사용하여 적용합니다. 다른 방법은 나노 크기의 세라믹 입자를 유기 재료와 혼합하여 슬러리를 만드는 것입니다. 이 슬러리를 늘려서 필름을 만들거나 부직포를 만듭니다.
태블릿과 전기 자동차의 보급이 확대됨에 따라 기존의 폴리올레핀 분리막은 고압 및 고온 저항성이 떨어져 고전압 및 고에너지 밀도 요구 사항을 더 이상 충족할 수 없게 되었습니다. 분리막 코팅 기술을 적용하면 세라믹 코팅을 통해 배터리 내부의 열 폭주 지점에서 발생하는 팽창을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 무기 재료의 고유한 구조는 분리막의 열 수축 저항성을 개선합니다. 뿐만 아니라, 세라믹 코팅은 친수성을 지니고 있어 전해액 흡수율을 높여 충방전 과정에서 배터리 내부의 전류 분포 균일성을 향상시킵니다.
가장 널리 연구되는 세라믹 분리막 소재는 고순도 알루미나(Al2O3)와 뵈마이트(AlOOH)입니다.
고순도 알루미나(Al2O3)
알루미나는 녹는점이 2054°C, 끓는점이 2980°C인 고경도 화합물입니다. 이온 결합 결정 구조를 가지고 있으며 열 안정성이 매우 높습니다. 화학적인 불활성 특성으로 인해 배터리 분리막의 세라믹 코팅에 탁월한 선택입니다. 고순도 알루미나의 장점은 다음과 같습니다.
- 긴 수명 주기이는 충방전 과정에서 발생하는 기계적 미세 단락을 줄여 사이클 수명을 효과적으로 향상시킵니다.
- 고율 성능고순도 나노 알루미나는 리튬 배터리에서 고용체를 형성하여 속도 성능과 사이클 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
- 뛰어난 열전도율고순도 나노 알루미나는 열전도율이 뛰어나 배터리 온도가 상승할 때 열을 전달하는 데 도움을 주어 PP/PE 소재의 낮은 열전도율 문제를 해결합니다.
- 우수한 습윤성나노 알루미나 분말은 전해질 흡수 및 보유 능력이 우수합니다.
- 뛰어난 난연성알루미나는 탁월한 난연 소재입니다. 고온에서도 우수한 난연성 덕분에 광범위한 연소나 폭발을 방지할 수 있습니다.
- 현재 차단과전류 발생 시, 고순도 알루미나가 전류를 차단하여 과열로 인해 분리막이 녹아 단락이 발생하는 것을 방지합니다.
보에마이트(알루오)
순수한 뵈마이트는 흰색이며, 직방정계 결정계에 속하는 단사정계 결정 구조를 가지고 있습니다. 모스 경도는 3~3.5이고 비중은 3.0~3.07입니다. 뵈마이트는 γ-Al2O3의 전구체이며 세라믹 재료, 복합 재료, 표면 보호 코팅, 광학 재료, 촉매 및 반도체 재료와 같은 광범위한 분야에 사용됩니다.
알루미나와 비교했을 때, 뵈마이트는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.
- 낮은 경도뵈마이트는 경도가 낮아 절단 및 코팅 공정 중 기계적 마모를 줄여주므로 고순도 알루미나보다 비용 효율성이 높습니다.
- 고온 저항성: 뵈마이트는 열 안정성이 뛰어나고 유기 재료와의 호환성이 좋습니다.
- 낮은 밀도동일한 무게일 때, 뵈마이트는 알루미나보다 25% 더 넓은 면적을 덮을 수 있습니다.
- 코팅 균일성 향상: 뵈마이트 코팅은 더욱 균일하여 내부 저항이 낮습니다.
- 에너지 소비량 감소뵈마이트의 생산 공정은 에너지 효율이 높고 환경 친화적입니다.
- 낮은 수분 흡수율뵈마이트는 고순도 알루미나에 비해 물을 절반밖에 흡수하지 못합니다.
- 더욱 간편한 생산뵈마이트의 제조 방법은 고순도 알루미나의 제조 방법보다 간단합니다. 고순도 알루미나의 제조 방법은 소성, 분쇄 및 분류 과정을 거쳐야 합니다.
- 교체가 더 쉽습니다: 뵈마이트로 전환하는 데에는 분리막 제조업체의 장비나 공정에 큰 변화가 필요하지 않으며, 장비 손상도 줄어듭니다.
음극 첨가제 – 산화지르코늄(ZrO2)
나노 크기의 산화지르코늄(ZrO2) 제품이 신에너지 분야에 적용되는 사례가 늘어나고 있으며, 리튬 배터리 성능 안정화 및 수명 연장을 위해 산화지르코늄 분말을 양극 첨가제로 사용하는 사례가 증가하고 있습니다. 니켈-코발트-망간 리튬(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) 배터리를 예로 들어, 나노 크기의 산화지르코늄이 양극 소재 성능에 미치는 영향을 살펴보겠습니다.
구조적 효과
ZrO2가 도핑된 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2의 X선 회절(XRD) 분석 결과, ZrO2 첨가는 재료의 전체적인 구조를 변화시키지 않으며, 해당 재료의 전형적인 육각형 α-NaFeO2형 층상 구조를 유지하는 것으로 나타났다.
형태학적 효과
ZrO2 도핑 수준이 증가함에 따라, 1차 입자의 크기는 원래 200~400nm 크기의 규칙적인 블록형 입자에서 100~200nm 크기의 조밀한 응집체로 감소합니다. 1차 입자의 응집으로 형성된 큰 입자는 1~2μm로 줄어듭니다. 도핑이 진행됨에 따라 입자의 구형 모양이 덜 두드러지게 되어 리튬 이온 확산이 용이해집니다.
전기화학적 효과
연구 결과에 따르면 ZrO2가 도핑된 소재는 기존 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2에 비해 더 높은 방전 용량을 나타냅니다. 이는 아마도 더 작은 크기 때문일 것입니다. 입자 크기, 이는 리튬 이온 확산 경로를 단축시키고 전기화학적 성능을 향상시킵니다. 또한, Zr4+ 이온이 표면으로 이동하여 고용체를 형성함으로써 충방전 주기 동안 구조적 붕괴를 방지하고 코발트 용해로부터 소재를 보호하여 사이클 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
음극 재료 소결 - 세라믹 가마 장비
전기 자동차 배터리 수요 증가로 양극재 수요가 급증하면서 국내 소성로 제조업체들은 생산 설비를 현대화하고 있습니다. 특히 탄화규소 세라믹과 코디어라이트-뮬라이트 세라믹과 같은 소재의 수요가 크게 증가했습니다.
푸셔 플레이트
일반적으로 사용되는 푸셔 플레이트는 탄화규소와 코런덤-뮬라이트로 만들어지며, 탄화규소 플레이트는 주로 저온 가마에 사용됩니다. 그러나 1300°C 이상의 온도에서 산화되는 현상으로 인해 사용 범위가 제한적입니다.
도가니
도가니의 경우, 양극재 소결에 다양한 재질이 사용됩니다. 코디어라이트-멀라이트 도가니는 우수한 열충격 저항성과 경제성 덕분에 리튬 배터리 양극재 분야에서 널리 사용됩니다.
롤러
리튬 이온 배터리 양극재 소결에 흔히 사용되는 롤러 가마의 롤러는 고온을 견뎌야 하고 크리프 변형에 대한 저항성이 있어야 합니다. 세라믹 롤러에 일반적으로 사용되는 재료로는 코런덤, 알루미노실리케이트, 용융 실리카 및 탄화규소가 있습니다.
기타 리튬 배터리 세라믹 소재
또한, 리튬 배터리의 제조 또는 조립에는 다른 세라믹 분말이나 제품도 사용됩니다. 예를 들어, 고순도 초미세 알루미나는 음극 첨가제로 사용되어 코팅 및 도핑 역할을 합니다. 탄화규소 미세 분말은 흑연, 탄소 나노튜브 또는 나노 질화티타늄과 결합하여 음극 재료를 형성할 수 있습니다. 이러한 조합은 배터리 용량과 수명을 향상시킵니다. 리튬 배터리의 밀봉 공정에서는 전자 세라믹 링이 필수 구성 요소입니다. 이 링은 "신형 전력 배터리 세라믹 밀봉 커넥터"라고도 하며, 전기 자동차에서 배터리 커버와 극 사이를 밀봉된 전도성 연결로 연결합니다.
결론
첨단 기술과 소재의 지속적인 발전으로 인해 향후 리튬 배터리 및 신에너지 분야 전반에 걸쳐 리튬 배터리 세라믹 소재의 활용도가 더욱 높아질 것으로 예상됩니다.
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— 게시자 에밀리 첸