배터리 바인더 문제에 대한 원스톱 솔루션 가이드

리튬 배터리 슬러리 혼합, 코팅 및 후속 조립의 생산 현장에서 슬러리 침전, 겔화(젤리 같은 점성), 코팅 헤드 막힘은 공정 엔지니어를 괴롭히는 세 가지 지속적인 "문제"입니다. 이러한 문제는 전극 균열, 필름 박리, 배터리 변형과 같은 연쇄 반응을 더욱 악화시킬 수 있습니다. 이러한 불안정성은 전극 점성 불량으로 이어질 뿐만 아니라 생산 수율과 용량을 직접적으로 저하시킵니다.

우리는 종종 혼합 과정이나 고형분 함량을 조정하면서, 제품 구성에서 작지만 핵심적인 성분인 결합제의 중요한 역할을 간과하는 경향이 있습니다. 이 글에서는 결합제의 미세 메커니즘부터 시작하여, 그 복잡성을 층층이 풀어내고, 앞서 언급한 문제들에 대한 "원스톱" 문제 해결 및 솔루션 가이드를 제공합니다.

I. 슬러리 침전을 어떻게 해결할 수 있나요?

원인:

(1) 선정된 CMC 종류가 적합하지 않습니다. CMC의 치환도(DS)와 분자량은 슬러리 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, DS가 낮은 CMC는 친수성이 낮지만 흑연에 대한 습윤성은 우수합니다. 그러나 슬러리 현탁 성능은 약합니다.

(2) CMC 사용량이 부족하여 슬러리 성분의 효과적인 현탁이 이루어지지 않음.

(3) 반죽 과정에 너무 많은 CMC가 참여하여 입자 사이에 현탁을 위한 자유 CMC가 부족해지고, 이로 인해 슬러리 안정성이 떨어지는 경우가 많습니다.

(4) 높은 기계적 전단력 또는 슬러리 pH의 변동은 SBR 유화제거를 유발하여 슬러리 침전을 초래할 수 있습니다.

해결책:

(1) 높은 DS와 큰 분자량을 가진 CMC로 전환하거나 블렌딩합니다. 예를 들어, WSC(저분자량, 낮은 DS, 우수한 흑연 습윤성, 약한 현탁액)와 CMC2200을 대량 생산 시 병용하면 슬러리 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

(2) CMC 투여량 증가는 슬러리 안정성을 향상시키는 가장 효과적인 수단 중 하나이지만, 공정 능력과 배터리의 저온 성능을 고려하여 균형을 찾아야 합니다.

(3) 반죽에 포함되는 CMC의 양을 줄이고 유리 CMC의 함량을 늘리면 슬러리 안정성을 어느 정도 향상시킬 수 있다.

(4) 슬러리 시스템에 SBR을 첨가한 후에는 유화물 분해를 방지하기 위해 플래니터리 믹서의 교반속도를 낮추어야 한다.

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II. 여과 중 필터 막힘 – 어떻게 해야 하나요?

원인:

(1) 활성 물질의 습윤성이 좋지 않아 분산이 제대로 이루어지지 않습니다.

(2) SBR 탈유화로 인한 여과 실패 발생.

해결책:

(1) 분산성을 향상시키기 위해 반죽공정을 채택한다.

(2) 슬러리계에 SBR을 첨가한 후 교반속도를 낮추어 탈유화현상을 방지한다.

III. 슬러리 겔화는 어떻게 처리하나요?

원인: 겔화는 크게 물리적 겔과 화학적 겔의 두 가지 범주로 나뉜다.

(1) 물리적 겔: 양극 활물질, 전도성 카본블랙(SP), 또는 용매인 NMP가 수분을 흡수하거나 과도한 환경 습도로 인해 발생합니다. 입자는 PVDF 폴리머 사슬에 둘러싸여 있습니다. 수분 함량이 한계를 초과하면 사슬 이동이 방해받아 사슬 간 엉킴, 슬러리 유동성 감소 및 겔화가 발생합니다.

(2) 화학적 겔: 고니켈 또는 고알칼리도 활물질의 가공 또는 보관 중에 발생하기 쉽습니다. 염기성 잔류물로 인해 생성된 높은 pH 환경에서 PVDF 폴리머 백본은 쉽게 탈플루오르화수소화(HF 손실)를 거쳐 이중 결합을 형성합니다. 용매에 존재하는 물이나 아민은 이러한 이중 결합을 공격하여 가교를 유발할 수 있습니다. 이는 생산 용량을 심각하게 감소시키고 배터리 성능을 저하시킵니다. 일반적으로 활물질의 알칼리도가 증가할수록 겔화 현상이 심해집니다.

해결책:

(1) 물리적 겔 : 원료 및 환경의 수분을 엄격히 관리하고 슬러리 보관 시 적절한 교반속도를 사용하여 제어한다.

(2) 화학 젤: 다음 방법을 통해 완화할 수 있습니다.

* 분산하기 전에 활성 물질과 전도성 탄소를 건조시켜 흡착된 물을 제거합니다. 더 순도가 높은 NMP를 사용합니다.
* 혼합 과정 동안 환경 습도를 엄격히 제어합니다.

* 알칼리도를 낮추기 위해 표면 자유 Li를 줄인 NCM 소재를 사용합니다.

* 항겔 PVDF 개발. 이 개발 전략은 -CH2-CF2- 단위의 H/F를 대체하기 위해 다른 단량체 단위(예: 비닐 에테르, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로에틸렌)를 접목하여 지속적인 HF 손실을 억제하고 가교 부위를 감소시키는 것입니다.

* PVDF가 아닌 양극 바인더를 개발하십시오. 위의 방법들은 PVDF의 탈불화수소화를 완전히 억제할 수 없기 때문에, 고알칼리성 양극(고니켈, NCA)이나 기능성 첨가제(알칼리성 Li₂CO₃)를 사용할 경우 위험이 존재합니다. 대체 바인더를 개발하는 것은 이 문제를 철저히 해결하는 것을 목표로 합니다.

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IV. 코팅 전극 외관 불량(균열)

원인:

(1) 바인더 자체의 유리전이온도(Tg)가 높아 피막 형성 온도가 코팅 온도보다 높아져 전극 균열의 원인이 됩니다.

(2) 수성 바인더의 경우 경화 중 수분 손실로 인한 심각한 수축으로 인해 전체 전극 균열이 발생할 수 있습니다(예: 수성 PAA 시스템).

예: 폴리아크릴산 폴리머는 단단하고 유연성이 부족합니다. 전극 제조 과정에서 넓은 면적의 컬링과 균열이 발생할 수 있으며, 이는 코팅 및 와인딩 공정에서 생산 수율을 매우 낮게 만듭니다.

가공 중 컬링 및 균열이 나타나는 PAA 전극

해결책:

(1) 바인더의 피막형성온도가 높아 도막의 외관이 불량한 경우, 피막형성온도가 낮은 바인더로 전환한다.
(2) 수성 PAA 시스템의 경우 가소제로 EC를 첨가하면 전기전도도 향상에 크게 도움이 됩니다. 전극 균열.

전극 유연성 향상을 보여주는 맨드렐 테스트

V. 코팅된 전극의 외관 불량(거품)

원인:

(1) CMC의 불용성 섬유는 코팅 시 과립상 기포를 발생시킬 수 있다.

(2) SBR의 과도한 유화제. 유화제는 계면활성제처럼 작용하여 기포 표면장력을 안정화시키고 기포 제거를 방해한다.

유화제 안정화 폼

해결책:

(1) 불용성 함량이 낮은 CMC를 사용합니다. 예를 들어 일부 EV 생산 공식에서 CMC2200을 MAC500으로 대체합니다.
(2) SBR에 사용되는 유화제의 양을 줄인다.

6. 비 하이 테에서의 애터리 가스 처리 온도 ?

원인: 고분자 분자에 극성 작용기가 많으면 수분을 흡수하는 경향이 있습니다. 이 수분은 고온 저장 시 리튬 이온과 반응하여 수소 가스를 생성할 수 있습니다.

해결책: 셀 내부의 수분 함량을 제어하고/또는 고온, 고충전 상태(SOC) 형성 공정을 사용합니다.

예: SD-3 바인더를 사용한 세포는 85°C에서 보관하는 동안 가스 발생으로 인해 상당한 팽윤 현상을 보였습니다. 세포 수분 함량을 100ppm 미만으로 조절하고 높은 SOC 형성 공정을 사용함으로써 고온 보관 문제가 크게 개선되었습니다.

VII. 고온 사이클링에서 용량이 빠르게 감소합니까?

원인:

(1) 고온에서 과도한 바인더 팽창으로 입자간의 연속적인 전도성 네트워크가 파괴됩니다.
(2) 고온에서 바인더의 안정성이 낮아 Li와의 용해나 화학반응이 발생한다.
(3) 전해액에 고온노출되면 바인더의 강도가 감소하여 사이클 중 활물질의 분쇄를 효과적으로 억제하지 못한다.

해결책:

(1) 고온 팽창 손상을 최소화하기 위해 전해질과의 친화성을 적절히 낮추어 높은 Tg를 갖는 바인더를 선택하거나 혼합합니다.

(2) 사이클 팽창률이 큰 실리콘 양극 소재의 경우, PA/PI/PAI 계열과 같은 고탄성 바인더를 사용하여 사이클 중 실리콘 입자의 균열 및 분쇄를 효과적으로 억제 또는 감소시킨다.

VIII. 배터리가 변형되기 쉬운가요?

원인: 폴리머 바인더가 너무 단단하면 전극 내부에 상당한 내부 응력이 발생합니다. 충전/방전 사이클 동안 이러한 내부 응력이 방출되면 전극 뒤틀림 및 변형이 발생하여 궁극적으로 배터리 변형으로 이어질 수 있습니다.

해결책: 내부 전극 응력을 줄이기 위해 가소제를 첨가합니다.

예: BI-4 바인더는 CE에서 우수한 동역학적 성능을 보였지만, 심각한 배터리 변형을 유발했습니다. 이를 완화하기 위해 슬러리 혼합 과정에서 2중량%의 EC 첨가제를 첨가했습니다. 저분자 가소제인 EC는 전극 건조 과정에서 완전히 휘발되므로 셀의 전기적 성능에는 큰 영향을 미치지 않으면서 변형 문제를 크게 개선합니다.

결론

바인더는 전극 제조법에서 "바다 한 방울"에 불과하지만, 슬러리 유동 특성과 분산 안정성의 핵심을 차지합니다. 침전, 겔화, 막힘, 그리고 전극 균열 및 고온 가스 발생과 같은 파생적인 문제와 같은 문제에 직면했을 때, 단일 차원 공정 조정은 종종 근본 원인이 아닌 증상만 해결하는 데 그칩니다. 바인더의 분자 구조, 용해 특성, 그리고 활물질과의 상호작용을 깊이 이해해야만 "문제"를 정확하게 파악하고 적절한 해결책을 제시할 수 있습니다. 본 논문에서 제시하는 접근 방식이 슬러리 시스템 최적화, 공정 매개변수 조정, 그리고 전극 제조 품질 향상에 귀중한 기술 참고 자료가 되기를 바랍니다.

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