리튬 이온 배터리 제조 | Thermo Fisher Scientific

우리는 일상 생활에서 증가하는 통신과 이동에 대한 수요를 충족해 주는 에너지가 필요합니다. 동시에 이러한 에너지는 생태계의 귀중한 자원을 절약하기 위해 지속 가능한 방법으로 생산되고 저장되어야 합니다.

리튬 이온 배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지고 있어 휴대용 전자 장치, 전기자동차 및 그리드 저장 장치에 널리 사용됩니다. 배터리 성능을 높이기 위해 다양한 혁신적인 재료가 채택되고 상용화되었습니다.

한편 배터리 공정 기술 분야는 이용 가능한 화학 기술의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 큰 개선 가능성을 가지고 있습니다. 이축 압출은 배터리의 제조 공정을 최적화하는 데 도움이 되어 배터리를 더욱 안전하고, 강력하고, 오래 지속되며, 비용 효율적으로 제조할 수 있도록 합니다. 효율적인 스크린 인쇄 공정을 보장하고 새로운 제형을 개발하기 위해서는 배터리 슬러리의 유변학적 특징화가 필요합니다.

리튬 이온 배터리 슬러리

원재료에서 최종 배터리 셀에 이르는 여러 단계의 과정에 이축 압출기를 사용하면 중요한 전극 재료 생산(예, 배터리 슬러리) 단계를 개선할 수 있습니다.

배터리 슬러리 생산은 일반적으로 교반된 용기에 활성 물질, 카본 블랙, 용매, 바인더, 첨가제를 일괄 혼합하는 방식으로 이루어집니다. 이 공정에는 많은 노동력이 필요하고 배치 간 변동 위험이 있으며 세척을 위한 생산 중단 시간이 필요합니다.

이축 배합을 사용하면 정밀하게 제어된 재료 전단, 열 전달, 재료 처리량, 체류 시간으로 연속적인 생산 공정이 가능합니다. 이축 압출 공정은 높은 재현성, 더 적은 세척 시간, 높은 재료 및 인력 효율을 제공합니다.

이축 압출기의 뛰어난 분산 및 분배 혼합 기능을 사용하면 가령 디졸버에서의 대체 배치 혼합에 비해 훨씬 더 균일한 양극 페이스트를 확보할 수 있습니다. 그 결과로 재료 특성이 향상될 수 있습니다.

디졸버를 사용하여 혼합된 음극 슬러리

압출기를 사용하여 혼합한 양극 슬러리

배터리 제조 애플리케이션

규모 확장이 어려운 배치에서 잘 제어된 연속 공정으로 전환함으로써 이축 압출이 양극 및 음극 슬러리의 기존 생산 과정을 개선하도록 지원하는 애플리케이션을 소개합니다. 공정에서 용매를 줄이면 전체 에너지 소비의 최대 30%를 절약할 수 있습니다. 이때 압출기는 거의 건식인 배터리 페이스트를 생산하는 데 도움이 됩니다. 인화성 유기 전해질 신규 배터리 유형으로 인한 단락 및 화재 위험을 극복하기 위한 방법들이 연구되고 있습니다. 압출기는 전고체배터리(SSB) 개발을 위한 탁월한 기능을 제공합니다. 대용량 및 많은 충전 사이클을 갖는 배터리를 생산하려면 정밀한 인쇄 공정을 위해 전극 슬러리의 유변학적 특성을 이해해야 합니다.

배터리 슬러리의 연속적인 생산

양극 및 음극 슬러리 배합

문제

배터리 슬러리는 일반적으로 유성형 믹서에서 일괄 혼합됩니다.
이러한 혼합 방식은 노동 집약적이고 재료 효율이 낮으며 배치 간 변동의 위험이 있습니다.

분석

연속적인 슬러리 배합은 재료 손실, 세척 시간, 처리 오류, 제품 변형을 줄여줍니다.

솔루션

이축 압출기는 높은 재현성을 통해 연속적으로 슬러리를 배합합니다.
조성, 재료 전단, 온도를 제어합니다.

응용 노트 읽기: 밀폐 공간에서 배터리 슬러리의 연속적인 이축 배합

용매 없는 양극 및 음극 슬러리

문제

전극은 일반적으로 용매-캐스팅 방법으로 코팅됩니다.
많은 에너지를 소모하는 용매 증발 및 재활용 기술이 필요합니다.
휘발성 용매는 유해하며 많은 비용이 듭니다.

분석

PTFE는 용매 없는 전극 슬러리에서 바인더 역할을 합니다.
PTFE 및 활물질 파우더를 배합할 때는 높은 전단력이 필요합니다.

솔루션

이축 압출기는 PTFE 및 활성 물질을 성공적으로 배합하여 용매 없는 슬러리를 생산합니다.
높은 전단력을 통해 활물질 입자가 결합된 PTFE 섬유를 형성합니다.

응용 노트 읽기: 건식 리튬 이온 배터리 페이스트의 비용 효율적이고 친환경적인 이축 배합

전고체 리튬 배터리

문제

순수 리튬 금속 음극은 이론상 가장 높은 용량을 가지고 있습니다.
그러나, 기존의 액체 전해질, 덴드라이트(dendrite) 성장, 리튬 금속의 불안정성으로 인해 배터리의 순환성과 안전성이 저하됩니다.

분석

고체 폴리머 전해질(SPE)은 덴드라이트(dendrite) 성장에 대한 물리적 장벽을 나타냅니다.
고체 폴리머 전해질을 사용하면 전고체 배터리(SSB)에 순수 리튬 금속 음극을 안전하게 적용할 수 있습니다.

솔루션

Thermo Scientific HAAKE MiniLab 이축 압출기는 뛰어난 분산 기능으로 새로운 열가소성 폴리머 전해질의 용매 없는 준비에 성공적으로 사용되었습니다.

자세한 내용은 다음 간행물 참조:

R. F. Samsinger, et al. "Influence of the Processing on the Ionic Conductivity of Solid-State Hybrid Electrolytes Based on Glass-Ceramic Particles Dispersed in PEO with LiTFSI" Journal of The Electrochemical Society, Volume 167, Number 12 Citation R. F. Samsinger et al 2020 J. Electrochem. Soc. 167 120538

Francisco González, et al. "High Performance Polymer/Ionic Liquid Thermoplastic Solid Electrolyte Prepared by Solvent Free Processing for Solid State Lithium Metal Batteries" Membranes (Basel). 2018 Sep; 8(3): 55.

리튬 이온 배터리 제조를 위한 유변학

문제

다음을 위해 전극 슬러리의 유변학적 특성을 이해해야 합니다.
- 코팅 공정 최적화
- 저장물 취급 정의
- 셀 성능에 대한 예측 변수로서 분산 품질 특성화

분석

특징적인 유량 곡선(전단율을 넘는 슬러리 점도)을 통해 펌핑, 교반, 코팅과 같은 공정에서 슬러리의 유량 거동을 파악할 수 있습니다.

솔루션

Thermo Scientific HAAKE iQ Air 회전식 레오미터는 높은 정밀도로 다양한 전단율에서 유량 곡선을 측정하는 데 사용됩니다.

Thermo Fisher Scientific의 배터리 제조 장비

공정을 개발할 때는 활용성과 손쉬운 처리가 가장 중요합니다. 수분에 민감한 재료와 건강에 해로운 용매 증기 때문에 전극 생산은 종종 불활성 분위기에서 이루어져야 합니다. 따라서 장비의 모든 이점을 저해하지 않으면서 글러브 박스와 같은 격리된 공간에서 모든 기기를 작동할 수 있어야 합니다.

당사는 배터리 개발 분야의 수많은 학자 및 업계 리더들이 전 세계적으로 사용하는 실험실 및 파일럿 스케일의 압출 장비를 제공합니다. 당사의 솔루션은 다음을 제공합니다.

작은 점유 공간 — Thermo Scientific Energy 11 이축 컴파운더는 안전 작업대와 글러브 박스의 밀폐된 공간에 맞게 실험실 크기로 축소된 생산 압출기의 모든 기능을 선보입니다.
강건성 — 모든 전자 장치가 소형 유닛에 장착되어 비활성 환경에서 작동할 때 최고의 성능을 발휘합니다.
분할 및 분리형 배럴 설계 — 좁은 공간에서도 쉽게 열고 닫을 수 있습니다. 놓치는 부분 없이 깨끗한 세척이 가능합니다. 동일한 기기에서 서로 다른 작업을 수행할 때 교차 오염을 방지하기 위해 모든 접촉 부품을 쉽게 교체할 수 있습니다.
세그먼트형 스크류 설계 — 특정 애플리케이션을 위해 혼합 동작을 쉽게 사용자 맞춤화할 수 있습니다.
활용성 — 과립화 설정, 필름 다이 및 테이크 오프, 건식 슬러리용 페이스 컷 펠리타이저, 슬러리 공정용 다양한 다이 설계 등 다양한 애플리케이션에 맞는 액세서리를 제공합니다.