음극 전구체

• 니켈-코발트-망간(NCM) 및 니켈-코발트-알루미늄(NCA) 전구체
  NCM 및 NCA는 업계에서 가장 널리 사용하는 음극 재료 중 하나이며, 특히 전기 자동차에 사용됩니다. 이러한 물질의 전구체는 혼합 수산화물이며, NCM의 경우 Ni_xCo_yMn_(1-x-y)(OH)₂로, NCA의 경우 Ni_xCo_yAl_(1-x-y)(OH)₂로 표시됩니다.
  
  
• 리튬 코발트 산화물(LCO) 전구체
  리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)은 휴대용 전자 제품에 널리 사용됩니다. 전구체, 코발트 산화물(Co₃O₄)은 리튬 탄산염 또는 리튬 수산화물로 처리되어 최종 음극 물질을 생성합니다. 
  
  
• 리튬 철 인산염(LFP) 전구체
  리튬 철 인산염(LiFePO₄) 음극은 EV 배터리에 사용되며, 철 인산염(FePO₄) 전구체에서 추출됩니다. 
  
  
• 리튬 망간 산화물(LMO) 전구체
  산화망간(Mn₃O₄)은 리튬 망간 산화물(LiMn₂O₄)의 전구체 역할을 하며, 이 물질은 높은 속도 성능과 우수한 열 안정성으로 잘 알려져 있으며 하이브리드 차량 및 전동 공구에 많이 사용됩니다. 
  
  
• 니켈이 풍부한 전구체
  배터리의 에너지 밀도가 높아져야 하는 필요성에 따라 니켈이 풍부한 전구체가 돋보이고 있습니다. 이러한 전구체는 종종 다양한 양의 도펀트를 가진 Ni(OH)₂로 표시되며, 니켈 함량이 높은 음극 물질을 생산하는 데 사용됩니다. 

음극 전구체를 합성하는 가장 일반적인 방법은 공동 침전이며, 이를 통해 금속염의 수용액이 혼합되어 액체 전구체를 형성합니다. 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화암모늄(NH₄OH)과 같은 침전제가 용액에 첨가되어 금속이 수산화물로 침전됩니다. 

공동 침전은 핵 형성부터 시작하여 기본 입자의 증식을 거쳐 더 큰 이차 입자로 응집되는 느린 과정입니다. 전체 과정은 프로세스 효율성에 따라 20~40시간이 소요될 수 있습니다. 

용액의 온도, pH, 농도, 교반 속도는 침전물의 균일한 입도와 조성을 보장하기 위해 세심하게 제어됩니다. 침전된 제품은 일반적으로 NCM 전구체에 대한 NixCoyMn_(1-x-y)(OH)₂와 같은 혼합 금속 수산화물 또는 탄산염입니다. 이 전구체는 LiOH와 혼합되고 900^oC에서 하소되어 최종 음극 물질을 만듭니다. 이 프로세스는 아래에 개략적으로 나와 있습니다.

슬러리 조성, pH, 온도, 교반 속도를 포함하는 많은 파라미터가 공동 침전 효율에 영향을 미칩니다. 이러한 파라미터를 최적화하는 것은 배터리 음극 전구체 물질의 품질과 처리량에서 중요한 역할을 합니다. 공동 침전 과정의 효율성 향상을 목표로 하는 실시간 모니터링 및 제어를 위해 다양한 분석 솔루션을 제공합니다. 또한 이러한 솔루션은 활성 음극 물질로 추가 처리하기 위해 전구체 물질이 원하는 특성을 갖도록 지원할 수도 있습니다.

음극 전구체 품질 및 처리량은 다음 파라미터를 측정 및 제어하여 최적화할 수 있습니다.

• 입도
• 입자 형상
• 화학 조성 및 불순물
  
• 결정질 상 분석
  
• 제타 전위
  

아래에서 각 매개변수에 대해 자세히 알아보십시오.

전구체 입자는 핵을 형성하고 증대시킨 다음 응집시켜 더 큰 이차 입자를 형성합니다. 최고의 생산 효율성을 보장하기 위해 이러한 입자는 가능한 한 가장 짧은 시간 내에 목표 크기보다 크게 성장해야 합니다. 따라서 시간 경과에 따른 입도 측정은 슬러리 반응기의 공정 매개변수를 미세 조정하는 중요한 방법입니다.

레이저 회절은 공정 및 품질 관리를 위해 입도 분포를 정확하게 측정하는 가장 좋은 방법 중 하나입니다. 전 세계의 배터리 셀 및 배터리 소재 제조업체의 신뢰를 받는 Mastersizer 3000은 입도 분석을 위한 사실상의 표준이 되었습니다. 

Mastersizer 레이저 회절 입도 분석기 시리즈는 습식 및 건식 분산을 위한 빠르고 정확한 입도 분포를 제공하는 벤치마크입니다. 또한 Size Sure 및 Data Quality Guidance와 같은 고급 기능을 지원하는 새로운 Mastersizer 3000+를 도입하여 더욱 개선되었습니다.

온라인 자동화 Insitec 입도 분석기는 생산 환경에서 이러한 측정을 수행하는 데 이상적이며 몇 초 간격으로 실시간 분석을 제공합니다. 

피드백 루프 정보를 사용하여 pH, 온도 또는 교반 속도와 같은 파라미터를 조정할 수 있습니다. 

또한 스마트 제조 공정 흐름과의 시너지 효과를 보장할 수도 있습니다. 이는 높은 수익성을 가져옵니다. 일반적으로 하루에 1,000kg의 음극 물질을 생산하는 음극 제조 플랜트는 Insitec을 통해 전구체 슬러리 입자 크기를 분석함으로써 연간 최대 미화 20만 달러를 절감할 수 있습니다.

입자 형상은 안정적인 이차 입자 형성에 중요한 역할을 하며 전구체 수율(탭 밀도)과 최종 음극 물질의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 긴 입자는 고속으로 교반된 슬러리에서 더 쉽게 분해 및 재용해됩니다.

제조업체는 Morphologi 4 광학 이미징 도구를 통해 완전 자동화된 이미지 분석을 수행하여 원형도, 연신율/종횡비, CE(Circular Equivalent) 직경 및 투명도와 같은 파라미터를 측정함으로써 입자 형상을 분석하고 최적화할 수 있습니다.

최종 음극 물질의 화학 조성을 최적화하려면 먼저 전구체 수준에서 제어해야 합니다. 단 몇 ppm에서부터 최대 100%까지의 화학 조성 및 불순물을 분석할 수 있는 X선 형광(XRF)은 화학 조성 분석을 위한 최고의 기술입니다.

XRF는 샘플 희석 또는 산의 소화가 필요하지 않으므로 유도 결합 플라스마(ICP) 질량 분광법보다 더 간단하고 정확한 원소 조성 측정 방법을 제공합니다. 많은 주요 배터리 회사에서 탁상용 Epsilon 4 EDXRF 또는Zetium WDXRF 분광기를 사용하여 전구체 및 음극 물질의 조성을 분석합니다. 

새로운 Revontium 고성능 EDXRF 시스템이 이를 보완합니다. Malvern Panalytical의 전문 기술을 배터리 참조 표준 및 Forj/Egon 2 전처리 시스템 세트와 결합하여, ICP 분석의 정확성과 정밀도와 일치하거나 이를 능가할 수 있는 완벽한 솔루션을 제공합니다.

온라인 원소 조성 분석 솔루션에는 배터리 액체 전구체를 위한 Epsilon Xflow 및 전극 코팅 분석을 위한 Epsilon Xline이 포함됩니다. 

결정질 상은 이온 또는 전자 운송이 일어나거나 방해되는 규모인 원자 규모의 물질 구조를 말합니다. 전구체의 결정상 조성을 통해 최종 음극 물질의 품질을 조기에 확인할 수 있습니다. 

제조업체는 뛰어난 데이터 품질을 가진 사용하기 쉬운 장비인 Aeris 컴팩트 X선 회절계를 사용하여 음극 전구체 물질의 결정질 상 조성을 정확하게 분석할 수 있습니다.

음극 전구체 용액의 입자 침전은 더 큰 이차 입자(10~20µm)를 형성하기 위해 상호 작용하는 기본 입자(50~100nm)에 좌우됩니다. 제타 전위를 사용하여 pH 및 온도 값을 분석하고 조정함으로써 이러한 상호 작용을 최적화할 수 있습니다. 

Zetasizer는 제타 전위를 정확하게 측정하며 전구체 합성의 R&D도 보완할 수 있습니다.