01【금속 이물질이 리튬 전지 안전에 미치는 위해]

리튬인산철 양극재는 열 안정성이 우수하고 순환 수명이 좋으며 전기화학 안정, 환경 친화 등의 장점을 가지고 있어 동력전지 분야에서 이상적인 양극재 중 하나가 되었다.그러나 리튬인산철 재료에 금속 불순물이 도입되면 배터리의 수명 및 안전성에 심각한 손상을 줄 수 있다.

흔히 볼 수 있는 금속 이물질은 철, 니켈, 구리, 아연, 크롬 등이다.금속 이물질은 배터리화 단계에서 먼저 양극에서 산화한 후 음극으로 환원된다. 음극의 금속 단질이 어느 정도 누적되면 지정이 형성되어 격막에 구멍이 뚫려 배터리 내부의 합선을 초래하고 배터리의 자방전율을 높인다. 심할 경우 배터리에 불이 나고 폭발하여 배터리의 안전 성능에 영향을 줄 수 있다.

금속 이물질이 누적되어 격막 천공 과정 설명도

금속 구리로 인한 배터리 단락 (a) 스캐닝 렌즈 이미지 (b) 요소별 분포

02【금속 이물질의 출처 및 통제 방법]

1) 소결 과정 중 원재료에서 생성된 불순물

리튬인산철 (LiFePO) 의 합성 과정에서 감마-FeO, FeP, FeP 및 FePO 등 불순물이 소량 생성되며, 단질철도 환원성 분위기에서 500~700 ℃ 에서 Fe의 환원을 거쳐 생성된다.이러한 불순물의 존재는 재료의 비용량과 에너지 밀도 불순물 철이 전해액에 용해되는 등 부반응을 낮추어 배터리의 사용 수명과 안전 성능에 영향을 줄 수 있다.

2) 제조 공정 중 생산 라인과 환경에서 발생하는 이물질

생산라인에서 금속 이물질의 출처는 주로 다음과 같은 두 가지 방면이 있다: 첫째, 설비와 재료의 직접 접촉 도입 (직접 도입);둘째는 공기 중의 금속 비산물이 재료에 들어가 도입되는 것이다 (간접적으로 도입되는 것이다).두 도입 방법의 차이점은 다음과 같습니다.

a. 直接引入

양극 재료 생산 라인의 가장 주요한 공정은 혼합, 소각 및 분쇄이며, 관련된 설비는 주로 혼합기, 롤러 가마 및 분쇄기가 있다.일반적으로 설비에 금속부품이 재료와 직접 접촉하는 것은 모두 직접적인 도입 위험을 초래할 수 있다.그중 재료와 련속적인 상대적인 운동이 있는 부품은 마모가 발생할 가능성이 더욱 크며 홍선구역으로서 중점적인 방호가 필요하다.재료와 연속되지 않고 상대적으로 움직이는 부품도 필요한 보호 조치를 취해야 한다.

b. 간접 도입

간접 도입의 원천은 더욱 복잡하다. 공기 중의 비산물은 설비 부품의 마모로 인한 부스러기에서 나올 수도 있고, 외부 환경에 의해 도입될 수도 있으며, 심지어 인원에 의해 도입될 수도 있기 때문에 통제하기가 더욱 어렵다.

양극재 생산라인 설계에서 금속 이물질에 대한 보호에는 몇 가지 통용되는 규칙이 있다: 생산라인의 모든 설비와 재료가 직접 접촉하는 부분은 반드시 비금속 재질로 요구하거나 금속 기재 표면에 스프레이 코팅을 하여 보호해야 한다.

외부 환경의 이물질이 양극재 작업장에 들어가는 것을 방지하기 위해 일반적으로 다음과 같은 몇 가지 측면에서 통제한다.

1. 작업장 문과 창문이 밀폐되어 신풍 시스템을 설치하고, 신풍은 고효율 필터 여과를 거친 후 다시 작업장 안으로 진입하며, 신풍량은 배풍량보다 약간 크며, 작업장은 +3 Pa~+5 Pa의 미정압을 유지한다;

2. 작업장 대문은 이중 체인 구조로 되어 있으며 풍림실이 내장되어 있습니다.

3. 작업장 내에는 전용 환적 도구 또는 차량을 사용하고, 외부 환적 도구 또는 차량은 작업장 내 진입을 금지한다;

4. 외부인이 작업장에 출입하려면 복장과 신발을 교체해야 하며 손목시계, 열쇠, 동전 등 금속물품을 휴대하고 작업장내에 진입하는것을 금지해야 한다.

5. 작업장 내 지면은 영구 자기봉을 사용하여 정기적으로 자기를 제거한다;

6. 상응한 규장제도와 점검표를 제정하고 정기적으로 신풍려과망교체상황을 검사한다.

7. 작업장에 전용 그릇을 배치하고 정기적으로 환경에서의 비산물 수준을 모니터링하며 이상이 있으면 즉시 조사 정돈한다.

03 [금속 이물질 검출 방법]

그렇다면 금속 이물질은 도대체 어떻게 검출해야 하는가?페이너 Phenom ParticleX는 스캐닝 렌즈와 에너지 분광기를 하드웨어 기반으로 금속 불순물 입자를 신속하게 식별, 분석 및 분류 통계할 수 있으며, 고객의 연구 개발 및 생산에 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있는 정량 데이터를 지원한다.

그 작업원리는 배산사영상의 명암안도를 통해 과립을 식별하고 나아가 과립에 대해 에네르기성분분석을 진행하며 과립의 형상과 성분정보에 따라 자동적으로 분류한다.

다음 표에서는 검체를 채취하기 위해 선별법을 사용하고 Phenom ParticleX를 사용하여 리튬 인산철에서 금속 이물질을 테스트한 결과를 보여줍니다.체분법에서 리튬인산철 주재료는 대부분의 입자를 차지하는데, 그 평균 산소 함량은 44.2% 인 반면 인화철과 산화철의 함량은 비교적 적고, 인화철에는 산소 함량이 10.6% 로 비교적 적으며, 산화철에는 인 성분이 함유되어 있지 않다는 것을 알 수 있다.

금속 이물질의 통계 결과(선별법)

금속 이물질의 평균 성분 (선별법)

자동으로 획득하는 인화철의 상세 정보

자동으로 획득되는 산화철의 상세 정보