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Innovations in Lithium Ion Battery Manufacturing
A Continuous Manufacturing Process Applicable to Nano-scale Materials at a Signficant Cost Reduction
Tsumoru Ohata, Technical Director |
ABSTRACT
PRIMIX는 전극 슬러리를 제조할 때 전통적 배치방식 (Batch method)에서 연속처리방식 (CDM, Continuous dispersion method)을 개발하여
제조 시 생산효율을 향상시켰고, 그 결과 아래와 같은 두가지 효과를 보였다.
※ 에너지 절약/제조 단가 절감 효과
- One-pass production 가능
- 높은 공간활용도
※ 배터리 성능 향상 효과
- 재결합 현상 지연
- 입자가 손상되지 않음
- 입자 크기가 매우 균일함
- 입자 크기를 나노 scale 까지 정밀하게 조절 가능
- 분산 체류시간을 섬세히 조절 가능
(체류시간에 매우 민감한 경우 추천)
INTRODUCTION
배터리를 제조할 때 리튬이온 전극 슬러리*는 니켈 카드뮴 혹은 니켈 수소에 비해 한번에 저장할 수 있는 에너지 밀도가 높다.
따라서 리튬이온을 사용하면 자동차, 핸드폰과 같은 주요 산업분야에서 요구하는 가볍고 고용량의 배터리를 제조할 수 있다.
전극 슬러리를 어떤 기술로 분산하느냐에 따라서 금속 포일 콜렉터에 코팅했을 때 그 성능 및 수율이 결정되기 때문에 분산 기술이
매우 중요하며, 특히 나노 입자의 크기를 정밀하게 제어할 수 있어야 한다. 이러한 전극 슬러리의 제조에filmix를 사용하면 효과적으로
제품의 성능을 향상시키고, 생산비용을 절감할 수 있다.
이 자료에서는 기존의 배치 분산 방식을 사용한 경우와 PRIMIX의 FILMIX를 사용하여 연속 분산 방식을 사용한 경우를 비교하였다.
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I. The CDM Process
위 그림은 공정흐름도이다. 모든 재료는 pre-mixer에서 일정 속도로 섞인 후 중앙혼합기 (central mixing unit) 인 FILMIX 에
공급되어 한 번에 혼합된다. 2010 년 미국에서 열린 AABC에서 이 시스템을 발표하였고, 그 후 연속 탈포 시스템을 성공적으로 개발하여
전극 슬러리의 연속제조 공정을 개발하고 이 시스템에 특허를 출원했다.
위 그림은 FM-252 및 중앙혼합기의 분산원리이다. 부품의 내부 휠이 고속으로 회전할 때 bulk 층의 유체와 벽과 가까운 층의 유체의
속도 차이로부터 발생하는 shearing force (전단력)에 의해 시료가 분산된다.
분산 기술에 있어서 단순히 입자 크기를 감소시키는 것보다, 입자 크기를 원하는 크기로 균일하게 조절하는 것이 매우 중요하다.
위 그림은 FILMIX를 사용하여 분산한 emulsion droplet의 크기 분포도이다. FILMIX는 휠 속도를 매우 정밀하게 제어할 수 있기 때문에
속도를 조절하는 기작을 통해 원하는 입도의 시료를 얻을 수 있다.
위 그림은 시료의 분산공정을 거치기 전과 후의 미세구조를 SEM으로 촬영한 이미지이다. 분산력이 매우 강력한 경우에 입자의
결정 구조가 깨지고 결과적으로 배터리의 성능이 감소되는 경우가 있다. 이런 부작용을 피하기 위해 분산력을 낮추면 원하는
입자 크기를 얻을 수 없게 된다. 그런데, FILMIX의 중앙혼합기는 오직 원심력에 의해 발생하는 전단력에 의한 정교한 분산이 일어나므로
분산 전과 후의 입자가 온전히 유지되어 배터리의 성능에 영향을 주지 않는다.
II. Results of Dispersion of Advanced Battery
Materials
고용량 배터리 제조에 ternary cathode material (NCM, 전기차 배터리에 사용되는 전극 혼합물)를 사용했다
위 SEM 촬영 사진은 FILMIX를 거친 입자의 직경과 일반 batch방식으로 제조한 입자를 나타낸다.
FILMIX를 거친 경우에 평균 입도 (D50) 는 10 um 였고, 이것이 코팅되었을 때 표면에 전도성 물질이 유리하게 분포되어
전기 저항을 향상시키는 것을 확인되었다 (배터리의 방전 특성이 크게 개선됨).
위 그림은 FILMIX 및 batch방식을 통해 생산한 전도성 물질의 저항성을 비교하였다.
분산/코팅/건조 된 인산 철 슬러리의 낮은 전기 저항은 FILMIX를 사용한 분산에서 효과적으로 증가하여 2% 의 도전재를 첨가했으나,
batch 방식에서는 같은 저항을 얻기 위해 4%의 도전재를 첨가해야 했다. 이와 같이 FILMIX를 사용하면 생산 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.
위 그림은 휠 속도에 따른 전극 슬러리 건조 필름의 전기저항을 나타낸다. 건조필름의 전기저항은 코팅재의 분산 수준에 의존하며,
입도가 균일할수록 분산이 잘 된다. LiCoO2의 실험 (왼쪽 그래프) 및 인산 철의 실험 (오른쪽 그래프)에서 휠 속도에 따라 저항 값이
변화하는 것을 확인하였다.
CDM 프로세스가 분산능을 좋게 하였지만, 이것이 실제로 배터리의 성능을 향상시키는가?
위 그래프는 나노 크기의 인산화철을 사용하여 얻은 배터리의 온도에 따른 방전율을 나타내며,
FILMIX를 통해 제조한 배터리의 방전율이 훨씬 우수한 것을 알 수 있다. 이러한 전지 특성의 향상은 전도성 물질의 입자 구조를
유지 (no damage) 하면서 뛰어난 분산력을 제공하는 FILMIX의 기술력을 통해 달성될 수 있다.
III. Realizing cost reduction
위 표는 CDM 공정을 통한 슬러리 점도의 재현성을 나타내는데, NMP cathode 및 수계 anode 모두에서 높은 점도 값이 나타났고,
10번의 반복 실험 값이 모두 일정한 것을 확인였다. 이는 FILMIX에 의해 부여 된 분산력이 휠 속도에 따라 정밀하게 제어된 결과이다
위 그림은 생산수준이 20,000 L/day 인 공장이 기존의 batch 방식을 사용하는 것에서 CDM 프로세스를 사용했을 때의 비용과
비용 범주 별 배치 프로세스 간의 관계를 나타내었다. 특히 두번째 그림은 사용 면적 차이가 2배임을 보여준다.
아래 표는 위와 같은 CDM 프로세스에 적용할 수 있는 모델을 나열하였다
종합: FILMIX를 중심으로 한 CDM 프로세스는 아래 3가지 효과를 가지는 가장 강력한 배터리 생산장비이다.
- 생산 배터리의 미세구조를 유지하는 효과
- 배터리의 성능을 향상시키는 효과
- 생산 비용 절감 효과
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