리튬 배터리 전극의 검은 반점 원인 및 해결 방법

I. 블랙스팟 현상의 특징

시각적 외관:

• 전극 표면에 검은색 또는 짙은 회색 반점이 나타나며, 주로 코팅 영역의 가장자리나 권선 계면에 집중되어 있습니다.
• 검은 반점 영역에는 흑연 중간층 박리와 활물질 팽창이 수반되어 비정상적인 국부적 두께(85% 초과 증가)가 발생합니다.

성능 영향:

• 용량 감소(일반적으로 5~10% 감소)로 수명 주기가 30% 이상 감소합니다.
• 검은 반점 부위에 리튬 도금을 하면 열 폭주 위험이 높아지며, 국부적인 온도가 80°C 이상에 달합니다.

II. 핵심 원인 분석

재료 결함:

• 원자재에 과도한 불순물이 존재(예: 구리 호일에 잔류하는 압연유)하거나 전도성 물질이 응집(입자 크기 >5μm)되어 전도성 네트워크가 국부적으로 고장나는 경우
• 기판 표면의 오염(먼지, 금속 입자)으로 인해 슬러리 습윤이 방해받고, 건조 중 비정상적인 용매 증발이 발생합니다.

프로세스 편차:

• 코팅 슬러리의 분산이 불량하여 핀홀 결함을 형성하는 기포가 발생합니다.
• 건조 온도 구배의 갑작스러운 변화로 인해 표면이 빠르게 벗겨지고, 내부 용매가 갇히며, 응력 균열이 발생합니다.
• 형성 중 부적절한 음압 제어(압력 변동 >10%)로 인해 전해질 분해 생성물의 침전이 가속화됩니다.

계면 반응 실패:

• 전해질에서 LiPF₆ 분해로 인해 생성된 HF는 흑연층을 부식시켜 국부적인 SEI 필름 파열을 유발합니다.
• 리튬염 농도가 부족하거나 습기가 침투하면(>50ppm) LiF 및 Li₂O와 같은 고저항 부산물을 생성하는 부작용이 발생합니다.

III. 일반적인 솔루션

프로세스 최적화 조치:

• 폐쇄 루프 코팅 제어 시스템을 채택하여 장력 변동을 ≤0.5%로 유지하고 건조 온도 구배(가열 속도 ≤3°C/분)를 일치시킵니다.
• 막힘 시뮬레이션 도구를 사용하여 형성 음압 매개변수(예: -90~-95kPa로 제어되는 진공 수준)를 최적화하고 프로세스 안정성을 검증합니다.

재료 개질 솔루션:

• 슬러리 침전 및 입자 응집을 억제하기 위해 바인더 비율을 3~5%로 증가시킵니다(예: PVDF).
• 나노 복합 전류 집전기(예: 탄소 코팅 알루미늄 호일)를 사용하면 계면 접촉 저항을 30% 이상 줄일 수 있습니다.

환경 제어 업그레이드:

• 작업장 습도를 ≤30%로 유지하고, 구리 호일 플라즈마 세척을 통해 젖음 각도를 ≤20°로 달성합니다.
• 저장 전 리튬화 처리를 통해 음극 활성 리튬 손실을 줄임(용량 회복률 7~9% 향상)

IV. 탐지 및 검증 방법

현미경 분석:

• SEM/EDS를 사용하여 검은 반점 영역의 구성을 조사합니다(비정상적인 O/F/P 함량은 전해질 분해를 나타냄).
• 흑연 층간 간격을 분석하기 위한 XRD(d002 > 0.344 nm는 구조적 손상을 나타냄).

프로세스 검증 도구:

• 형성 차단 시뮬레이션 도구를 사용하여 세포를 테스트하고 임계 조건과 일치하는 압력 및 온도 곡선을 수집합니다.
• 고온 보관 테스트(55°C/7일)를 통해 흑점 확산 속도를 확인하고 비정상 세포를 선별합니다.