고체 배터리와 흐름 배터리의 차이점은 무엇입니까?
1. 고체 전지와 기존 액체 전지의 공정상의 차이점
고체 전지는 기존 액체 전지의 전해질과 분리막을 대체하기 위해 고체 전해질을 사용합니다. 기존 액체 리튬 전지는 양극, 음극,
배터리 전해질
그리고
분리 기호
. 고체 전지는 전해질을 대체하기 위해 고체 전해질을 사용합니다.
분리 기호
전통적인 액체 배터리에서는.
전고체 전지는 새로운 소재 시스템과 배터리 구조를 사용하기 때문에 기존의 전통적인 리튬 전지 제조 공정 및 장비로는 산업 생산 및 제조를 달성할 수 없으며, 이에 상응하는 혁신과 개선이 필요합니다. 현재 전고체 전지는 아직 양산되지 않아 생산 공정이 확정되지 않았으며, 다양한 유형의 고체 전지의 생산 공정 및 제조 과정은 전지의 설계 및 용도에 따라 달라질 것입니다. 그러나 전고체 전지의 생산 공정과 기존의 전통적인 액체 전지 생산 공정 사이에는 상당한 차이가 있다는 것은 확실하며, 이는 주로 다음과 같은 측면에서 나타납니다.
1.1 프런트엔드 전극 시트 생산 링크
-
기존 리튬 전지는 습식 슬러리 및 코팅 기술을 사용하여 활물질, 전도성제 및 바인더를 슬러리로 혼합한 다음 집전체에 코팅하고 건조 및 압연합니다.
-
고체 전지: 건식 전극 기술을 도입하여 용매 사용을 없애고, 건식 슬러리 및 코팅 공정을 통해 전극 시트를 직접 제조합니다. 또한, 전해질 막을 코팅하고 압연하여 고체 전해질 층을 형성해야 합니다.
1.2 중간 단계 배터리 셀 조립 링크
-
전통적인 리튬 배터리: 권취 또는 적층 공정을 사용하여 양극 및 음극 시트와 다이어프램을 배터리 셀에 감은 다음 전해액을 주입하고 포장합니다.
-
고체 전지: 적층 공정을 사용하고, 전극 시트 접착 프레임 인쇄 및 등방압 프레스 기술을 결합하여 고체 전해질과 전극 사이의 밀착성을 보장합니다. 전고체 전지는 전해질이 필요하지 않으므로 주입 공정이 생략됩니다.
1.3 포스트 단계 형성 및 패키징 링크
-
전통적인 리튬 배터리: 포장 후 저압 형성을 통해 배터리가 활성화됩니다.
-
고체 전지: 고체 전해질의 높은 이온 전도도 요구 사항으로 인해 배터리 성능을 최적화하기 위해 형성 공정은 고압이 되는 경향이 있습니다.
일반적으로 전고체 전지의 핵심 생산 공정과 기존 액체 리튬 전지의 주요 차이점은 다음과 같습니다.
-
전단 고체 전해질 및 전극판 생산 공정에서 전고체 전지는 건식 전극 기술에 더욱 적합하며, 건식 혼합 및 건식 코팅을 추가하여 고체 전해질 막 제조를 실현합니다.
-
중간 단계 배터리 셀 조립 공정에서 고체 배터리는 "스태킹 + 전극 시트 접착 프레임 인쇄 + 등방성 압축 기술"을 사용하여 전통적인 와인딩 공정을 대체하고 주입 공정을 삭제합니다.
-
백엔드 형성 및 패키징 공정에서는 화학 조성에서 고전압 화학 조성으로의 변환이 이루어집니다.
2. 고체 전지 공정
2.1 건식 전극 기술은 고체 전지에 더 적합합니다.
건식 전극 기술의 가장 큰 장점은 전극의 압축 밀도를 높여 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있다는 것입니다. 건식 전극 기술은 새로운 유형의 전극 제조 공정으로, 가장 큰 장점은 전극의 압축 밀도를 높일 수 있다는 것입니다. 현재 리튬 배터리는 주로 전통적인 습식 전극 제조 기술을 사용합니다. 습식 전극 제조 공정에서는 활물질, 도전제 및 바인더를 혼합하여 집전체에 코팅한 다음, 건조하고 NMP 용매를 회수하여 압연하는 데 용매가 필요합니다. 건식 전극 기술은 전극 재료를 건조 분말로 직접 혼합하고 기계적으로 집전체에 압착하여 전극 시트를 형성합니다. 이 방법은 전극의 압축 밀도를 높일 수 있습니다. 고체 배터리의 경우, 압축 밀도가 높을수록 동일한 부피에 더 많은 양극 및 음극 재료를 수용할 수 있으므로 배터리의 에너지 밀도가 높아집니다.
건식 전극 기술은 고체 전지와 같은 고에너지 밀도 전지에 더 적합합니다. 건식 전극 기술의 개념은 고체 전지와 유사합니다. 전고체 전지에서 황화물 전해질은 유기 용매에 민감하고, 금속 리튬은 용매와 쉽게 반응하여 팽창을 일으킵니다. 기존의 PVDF-NMP 시스템은 결합 강도가 제한적인 반면, 건식 전극의 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 피브릴화로 구성된 2차원 네트워크 구조는 활물질 입자의 부피 팽창을 억제하고 집전체 표면에서 활물질 입자가 떨어지는 것을 방지할 수 있습니다.
또한, 건식 전극 공정을 사용하면 전고체 전지의 전극 시트 제조 공정을 완전히 건조할 수 있어 습식 공정에서 건조 후 잔류 용매 분자 문제가 발생하지 않습니다. 따라서 건식 전극 기술은 전고체 전지 생산에 더욱 적합합니다.
건식 전극 기술은 공정을 단순화하고 효율성을 향상시키며, 비용 이점이 있어 고체 전지의 상용화를 촉진하는 데 도움이 됩니다.건식 전극 공정은 생산 공정을 단순화하고 비용을 절감하며 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.건식 전극 시트 제조에는 NMP 용매가 필요하지 않으며 전극 시트 생산 공정에서 건조 및 용매 회수 링크를 줄일 수 있습니다.전극 제조 공정이 통합되어 습식 공정에서 필요한 혼합, 펄프화, 코팅, 건조, 압연 및 기타 공정이 통합됩니다.공정 흐름이 더 간단하고 장비가 차지하는 면적이 더 작습니다.나노코놀의 예측에 따르면 건식 전극의 대량 생산은 배터리 비용을 10% 이상 절감할 수 있습니다.또한 단순화된 건식 전극 기술은 배터리 전극 시트의 대량 생산에 적합합니다.따라서 건식 전극 기술은 고체 전지의 상용화를 촉진하는 중요한 기술 중 하나로 간주됩니다.
현재 건식 전극 기술의 주요 어려움: 나노코놀(Nanoconol)에 따르면, 현재 건식 전극 기술의 주요 어려움은 혼합 전극 재료 분말의 균일성과 피막 형성의 일관성에 있습니다. 장비 분야에서 건식 공정은 압연의 정확성, 균일성 및 압축 밀도에 대한 요구 사항이 더 높습니다.
2.2 중간 섹션 배터리 셀 조립 링크: "스태킹 + 전극 시트 접착 프레임 인쇄 + 등방성 프레스 기술"을 채택
①
전극 스태킹 머신
: 고체전지는 권취장비에 적합하지 않으며, 스태킹 머신을 사용해야 하며, 더 높은 정밀도가 요구됩니다.
전고체 전지와 액체 전지 모두 적층기를 사용해야 하지만, 전고체 전지의 고체 전해질은 취성 특성을 가지고 있고 장비의 정밀도와 안정성에 대한 요구가 더 높기 때문에 적층 공정이 더 많이 필요합니다. 따라서 전고체 전지 제조에 필요한 적층기에 대한 수요 또한 증가할 것입니다.
② 고체 전지 전극판 접착 프레임 적층 기술: 고체 전지 전극판의 적합성을 개선하고 내부 단락 문제를 방지합니다.
기존의 전고체 전지 생산 공정은 아직 미숙하며 몇 가지 단점을 가지고 있습니다. 전고체 전지 셀을 제조하기 위해 전극 시트 롤을 절단 공정 후 다른 전극 시트와 복합화할 경우, 인접 전극 시트 간의 높은 밀착성을 확보하기 어려워 전고체 전지 셀의 품질 저하로 이어집니다. Liyuanheng이 공개한 특허 기술에 따르면, 전고체 전지 셀 내 인접 전극 시트 간의 밀착성을 향상시키고 전고체 전지 셀의 품질을 확보할 수 있는 전고체 전지 전극 시트 접착 프레임 적층 방법, 장치 및 적층 장비를 제안합니다.
③ 등방성 프레스는 핵심 증분 장비 중 하나이며, 등방성 프레스 기술은 고체 전지의 고체-고체 계면 접촉 문제를 개선하는 데 사용됩니다.
전고체 전지는 일반적으로 양극, 고체 전해질, 음극을 적층하는 방식으로 제작됩니다. 고체 전해질이 전극과 양호한 고체-고체 계면 접촉을 형성해야 하고, 사이클 중 접촉 손실이 발생하며, 리튬 덴드라이트 형성을 억제해야 하는 등의 이유로 적층 시 새로운 프레스 장비가 필요하며, 재료를 고밀도로 적층하기 위해 100MPa 이상의 압력을 가합니다. 기존의 열간 압착 및 롤러 압착 방식은 압력이 제한적이고 압력이 불균일하여 고밀도 적층에 필요한 균일성을 확보하기 어려워 전고체 전지의 성능에 영향을 미칩니다.
등방성 가압 기술은 파스칼의 원리에 기반합니다. 금속, 세라믹, 복합 재료, 폴리머 등의 재료를 고밀도화하고 기공을 제거할 수 있습니다. 고체 전지의 경우, 등방성 가압 기술은 배터리 셀 내부의 틈새를 효과적으로 제거하고, 전해질 재료가 이상적인 고밀도화 수준에 도달하도록 보장하며, 배터리 셀 구성 요소 계면 간의 접촉 효과를 개선하여 이온 전도도를 30% 이상 크게 향상시키고, 배터리 내부 저항을 20% 이상 감소시키며, 사이클 수명을 40% 증가시켜 배터리 성능을 크게 향상시킵니다. 등방성 가압에 필요한 장비는 등방성 프레스입니다.
전고체 전지 제조 분야에서 등방성 가압 성형 기술이 현재 직면한 과제: 등방성 가압 성형 기술 자체는 이미 성숙된 기술이며 세라믹, 분말 야금 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 전고체 전지 분야에서의 적용은 아직 탐색 및 개발 단계에 있으며, 기술적 성숙도는 상대적으로 낮습니다. 현재 전고체 전지 분야에서 등방성 가압 성형 기술의 발전은 적절한 가압 온도 및 압력 조합 선택, 성형 표면 제어, 생산 효율 및 수율 향상 등의 과제에 직면해 있습니다.
3. 후단 형성 및 패키징 연계: 신형 고전압 형성 장비
기존 리튬 전지의 형성 압력은 3~10톤인 반면, 고체 전지의 형성 압력은 60~80톤으로 높아집니다. 고체 전지가 고전압 형성을 필요로 하는 핵심적인 이유는 고체-고체 계면 특성과 이온 전도 메커니즘이 기존 액체 전지의 형성 과정과 근본적으로 다르기 때문입니다.
① 고체-고체 계면 접촉 문제 해결: 고체 전해질과 전극은 단단하게 접촉되어 미세한 간극이 존재하고 접촉 불량이 발생합니다. 계면 간극을 제거하고 유효 접촉 면적을 늘리려면 고압(일반적으로 60~100MPa)을 가해야 합니다. 고체 전해질과 전극의 물리적/화학적 결합을 촉진해야 합니다.
② 이온 전도 채널 활성화: 고체 전해질은 이온 전도도가 낮아 고전압 형성이 필요하여 리튬 이온이 고체-고체 계면 장벽을 뚫고 계면에 이온 전도 네트워크를 형성하여 계면 임피던스를 낮춥니다.
에이시 뉴 에너지
리튬 이온 배터리용 고급 장비 연구 및 제조 전문 기업입니다. 원통형 셀, 코인 셀, 파우치 셀 리튬 이온 배터리 연구실 R&D를 위한 완벽한 장비를 제공할 뿐만 아니라,
리튬 이온 배터리 생산 라인
리튬이온 배터리 업계에 처음 입문하셨고, 자체 리튬이온 배터리 생산 라인이나 리튬이온 배터리 팩 조립 라인을 구축하고 싶으시다면, 저희가 전문적인 기술 지원과 안내를 제공해 드리겠습니다. 언제든지 문의해 주세요!
