양극 재료 분류 및 생산 공정

2025-04-04

양극 재료는주로 탄소 재료와 비탄소 재료의 두 가지 범주로 나뉩니다. 탄소는 주로 메조카본 미세구, 인공 흑연, 천연 흑연 및 경탄소를 포함하는 탄소 기반 시스템을 의미합니다. 현재 가장 널리 사용되는 탄소 재료는 흑연 양극 재료이며, 그 중 인공 흑연과 천연 흑연은 대규모 산업 응용 프로그램을 가지고 있습니다. 비탄소 재료는 주로 실리콘 기반 재료, 주석 기반 재료 및 리튬 타이타네이트 등을 포함합니다. 그 중 실리콘 기반 양극 재료는 현재 주요 양극 재료 제조업체의 주요 연구 대상이며, 향후 대규모로 응용될 가능성이 가장 높은 새로운 양극 재료 중 하나입니다.

천연 흑연 가공

천연 흑연 양극 재료는 자연 플레이트 흑연을 원료로 하여 후...분쇄, 등급화, 구형화, 정제, 표면 처리 및 기타 공정을 양극재료에서 준비합니다.

인공지능 흑연 음극재료의 준비 과정

인공지능 흑연 제조 과정은 네 단계로 나눌 수 있으며, 열 가지 이상의 작은 절차로 이루어져 있으며, 입자화 및 그래파이트화가 핵심입니다.

인공지능 흑연 음극 재료의 생산 과정은 네 단계로 나눌 수 있습니다:

1) 전처리

2) 입자화

3) 그래파이트화

4) 볼 밀링 및 선별.

네 단계 중에서 파쇄 및 선별은 상대적으로 간단하며, 입자화 및 그래파이트화는 음극 산업의 기술 기준과 생산 수준을 반영하는 두 가지 연결고리입니다.

생산 과정에 구체적으로 들어가면, 먼저 코크스 및 전도성 입자, 탄소 나노튜브, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙 중 하나 이상을 혼합하고, 혼합된 재료와 탄소를 소결 및 코팅한 후, 준비된 입자를 그래파이트화합니다. 그래파이트화된 재료와 재귀 코팅을 위한 수지 재료; 용매로 표면 처리하고, 원심 분리, 침전 등 방법으로 고형 입자를 용매에서 분리한 후, 탄화하여 5-20μm 입자를 얻어 고속 탄소 음극 재료를 생성합니다. 이 방법에서는 입자를 혼합하고 제작하여 두 번 코팅하여 재료의 내부 구조를 안정적으로 유지하게 하여 탄소 음극 재료가 높은 속도 성능, 고압 압축, 높은 비특정 용량 등을 갖도록 합니다.

(1) 전처리

그래파이트 원료(바늘 코크스 또는 석유 코크스)를 바인더와 혼합하여 공기 밀링(분쇄)합니다. 서로 다른 제품에 따라 그래파이트 원료와 접착제(그래파이트화)를 서로 다른 비율로 혼합하며, 혼합 비율은 100 :(5~20)입니다. 이 재료는 진공 이송 기계를 통해 호퍼에 들어가고, 그 후 호퍼에서 공기 흐름 밀로 공기 분쇄를 위해 들어갑니다. 이 때 원료와 보조 재료의 지름은 5~10mm로 분쇄되어 5-10μm로 가공됩니다. 공기 분쇄 후, 사이클론 집진기를 사용하여 필요한 입자 크기의 재료를 수집하며, 먼지 집합률은 약 80%입니다. 배기가스는 필터 코어 필터를 통해 필터링되어 배출되며, 먼지 제거 효율은 99% 이상입니다. 필터 요소의 재료는 0.2μm 미만의 기공을 가진 필터 직물로, 0.2μm 이상의 모든 먼지를 차단할 수 있습니다. 팬 제어 시스템은 음압 상태에 있습니다.

차이점: 전처리 밀은 기계 밀과 제트 밀로 나뉘며, 현재 주류는 제트 밀입니다. 접착제 종류도 다양하며, 석유 아스팔트, 석탄 아스팔트, 페놀 수지 또는 에폭시 수지 등이 있습니다.

(2) 입자화/재입자화

입자화는 인공지능 흑연 가공의 핵심 단계입니다. 입자화는 열분해 과정과 볼 밀링 과정으로 나눌 수 있습니다.

열분해 과정: 중간 재료 1을 반응 반응기에 넣고 불활성 가스 분위기에서 특정 압력 하에 일정한 온도 곡선에 따라 전기적으로 가열합니다. 200-300℃에서 1-3시간 동안 교반한 후, 400-500℃로 가열하여 입자 크기가 10-20mm인 재료를 얻습니다. 그 후 재료를 냉각하여 배출합니다. 즉, 중간 재료입니다.

2. 볼 밀 및 체 분업: 진공 이송, 중간 재료 2를 볼 밀로 이송하여 기계적 볼 분쇄를 수행하고, 10~20mm의 재료를 6~10 마이크론의 입자 크기로 분쇄한 후 중간 재료를 얻기 위해 체로 거른다.

3. 체에 있는 재료는 볼 분쇄를 위해 진공 파이프를 통해 볼 밀로 다시 이송된다.

그래파이트 입자의 크기, 분포 및 형태는 음극 재료의 많은 성질에 영향을 미친다. 일반적으로 입자 크기가 작을수록 비율 성능과 사이클 수명이 더 좋지만, 첫 번째 효율성과 밀도(부피 에너지 밀도 및 비특정 용량에 영향)는 더 나쁘고 그 반대도 마찬가지이다. 합리적인 입자 크기 분포(큰 입자와 작은 입자를 혼합, 후속 공정)는 음극의 비특정 용량을 개선할 수 있다. 입자의 형태 또한 비율 및 저온 성능에 큰 영향을 미친다.

이차 과립화: 작은 입자는 큰 비표면적, 더 많은 통로 및 리튬 이온 이동 경로가 짧아 비율 성능이 우수하고, 큰 입자는 높은 밀도와 큰 용량을 가진다. 큰 입자와 작은 입자의 장점을 동시에 고려하여 높은 용량과 높은 비율을 달성하려면 어떻게 해야 할까? 그 답은 이차 과립화를 하는 것이다. 소립 페트롤륨 코크스와 니들 코크스와 같은 기초 재료를 사용하고, 코팅 재료와 첨가제를 추가하여 고온 교반 조건에서 재료 비율, 온도 상승 곡선 및 교반 속도를 조절하여 소립 기초 재료를 두 번 과립화하여 더 큰 입자 크기의 제품을 얻을 수 있다. 같은 입자 크기의 제품과 비교했을 때, 이차 과립화는 재료의 액체 보유 성능을 효과적으로 개선하고 재료의 팽창 계수를 줄이며(작은 입자와 작은 입자 사이에 볼록한 구멍이 있다), 리튬 이온의 확산 경로를 단축시켜 비율 성능을 개선할 뿐만 아니라 재료의 고온 및 저온 성능과 사이클 성능도 향상시킨다.

차이점: 이차 과립화 공정은 장벽이 높고, 코팅 재료 및 첨가제의 종류가 많으며, 균일하지 않은 코팅이나 코팅 탈락 등 문제 발생 가능성이 있다. 이는 고급 인공 그래파이트에 중요한 공정이다.

(3) 그래파이제이션

그래파이트화은 열적 활성화에 의해 동역학적으로 불안정한 탄소 원자가 무질서한 층 구조에서 그래파이트 결정 구조로 질서 있게 변환되는 것이다. 따라서 그래파이제이션 공정에는 원자 재배치와 구조 변환을 위한 에너지를 제공하기 위해 고온 열처리(HTT)가 사용된다. 내화성 탄소 재료의 그래파이제이션 정도를 향상시키기 위해 촉매를 추가할 수도 있다.

더 나은 그래파이제이션 효과를 얻기 위해서는 세 가지 측면에서 작업이 필요하다:

1. 저항 재료와 재료를 용광로에 적재하는 방법(수평 적재, 수직 적재, 변위 및 혼합 적재 등)을 숙지하고, 저항 재료의 다양한 성능에 따라 재료 간의 거리를 조정할 수 있어야 한다;

2. 그래피타이제이션 가 Furnace의 용량과 제품 사양에 따라 그래픽 프로세스에서 상승 및 하강 속도를 제어하기 위해 서로 다른 전력 곡선이 사용됩니다;

3, 특정 상황에서 재료에 촉매를 추가하여 그래피타이제이션의 정도를 향상시키고자 하는 경우 “촉매 그래피타이제이션”이라고 합니다.

차이점: 다양한 품질의 인공 흑연은 서로 다른 가열 및 냉각 속도, 유지 시간, 촉매 등을 가지고 있습니다. 사용되는 그래피타이제이션 가 Furnace의 종류가 다르므로 성능과 비용에서 상대적으로 큰 차이가 발생할 것으로 예상됩니다. 그래피타이제이션은 전방과 후방 공정에서 분리되며, 특히 가열 및 냉각 과정은 기본적으로 프로그래밍되어 있지만, 그래피타이제이션 시간이 길고 장비 투자가 크기 때문에 더 많은 아웃소싱 가공이 필요하며 기술 유출 위험은 없습니다.

(4) 코팅 카본화

코팅 카본화: 코팅 카본화는 그래픽과 유사한 탄소 물질을 “코어”로 사용하고 그 표면에 균일한 비결정질 탄소 물질의 층을 코팅하여 "코어-쉘" 구조와 유사한 입자를 형성합니다. 일반적으로 사용되는 비결정질 탄소 물질의 전구체에는 페놀 수지, 피치 및 구연산과 같은 저온 열분해 탄소 물질이 포함됩니다. 비결정질 탄소 물질의 층간 거리는 그래픽보다 크므로 리튬 이온의 확산 성능을 향상시킬 수 있습니다. SEI 필름이 형성되며, 최초의 효과, 주기 수명 등을 개선합니다.

차이점: 서로 다른 제조업체는 서로 다른 전구체와 서로 다른 가열 절차를 선택하므로 코팅 층의 두께와 균일성이 다릅니다. 따라서 제품의 비용과 성능도 다르게 나타날 것입니다.

(5) 스크리닝/도핑

그래파이트 재료는 진공을 통해 볼 밀로 운반되며, 이후 물리적 혼합 및 볼 밀링을 진행합니다. 270 메쉬 분자 체로 선별하고, 체를 통과한 재료는 검사, 측정, 포장 및 저장합니다. 체 위의 재료는 입자 크기 요구사항을 충족하기 위해 추가로 볼 밀링 한 후 체로 쳐냅니다.

도핑 수정:도핑 수정 방법은 더 유연하고 도핑 원소가 다양합니다. 현재 연구자들은 이 방법에 대해 활발히 연구하고 있습니다. 비탄소 원소를 그래픽에 도핑하면 그래픽의 전자 상태가 변경되어 전자를 더 쉽게 얻을 수 있게 되어 리튬 이온의 삽입이 더욱 증가합니다. 예를 들어, 인과 붕소 원자를 그래픽 표면에 성공적으로 도핑하고 그들과 화학 결합을 형성하면 조밀한 SEI 필름을 형성하는 데 도움이 되어 그래픽의 주기 수명과 비율 성능을 효과적으로 개선했습니다. 그래픽 재료에 서로 다른 원소를 도핑하는 것은 전기화학적 성능에 서로 다른 최적화 효과를 줍니다. 그 중 리튬 저장 능력이 있는 원소(Si, Sn)를 추가하면 그래픽 음극 재료의 특정 용량을 크게 향상시킬 수 있습니다.