배터리 생산을 위한 전극 소재의 초음파화학적 합성

고성능 배터리 셀 생산에서 나노구조 소재와 나노복합체는 우수한 전기 전도성, 더 높은 저장 밀도, 높은 용량과 신뢰성을 위한 핵심 요소입니다. 나노소재의 기능을 온전히 구현하려면 나노입자를 개별적으로 분산하거나 박리해야 하며, 기능화와 같은 추가 처리 단계가 필요할 수도 있습니다. 초음파 나노 가공은 첨단 배터리 생산에 필요한 고성능 나노소재와 나노복합체를 제조하는 우수하고 효과적이며 신뢰할 수 있는 기술입니다.

전극 슬러리 내 전기화학적 활성 소재의 초음파 분산

나노소재는 혁신적인 전극 소재로 사용되어 충전식 배터리의 성능을 크게 향상시켰습니다. 전극 제조용 슬러리를 준비할 때, 특히 나노 크기 소재가 포함된 경우에는 응집, 집합 및 상분리를 극복하는 것이 매우 중요합니다. 나노소재는 배터리 전극의 활성 표면적을 늘려 충전 주기 동안 더 많은 에너지를 흡수하고 전체 에너지 저장 용량을 높일 수 있게 합니다. 나노소재의 이점을 온전히 얻으려면 이러한 나노구조 입자의 얽힘을 풀고 전극 슬러리 내에 개별 입자로 분산시켜야 합니다. 초음파 분산 기술은 집중된 높은 전단력(음향기계적 힘)과 초음파화학적 에너지를 제공하여 나노 크기 소재의 원자 수준 혼합과 착물 형성을 유도합니다.
고기능성 전극 소재를 얻으려면 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 금속, 희토류 광물과 같은 나노입자를 안정적인 슬러리 내에 균일하게 분산시켜야 합니다.
예를 들어 그래핀과 CNT는 배터리 셀 성능을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있지만, 입자 응집을 극복해야 합니다. 따라서 나노소재를 처리할 수 있고 경우에 따라 높은 점도에서도 처리가 가능한 고성능 분산 기술이 반드시 필요합니다. 프로브형 초음파 장치는 고형분 함량이 높은 조건에서도 나노소재를 신뢰성 있고 효과적으로 처리할 수 있는 고성능 분산 수단입니다.

초음파 처리가 나노소재 가공에 우수한 기술인 이유는 무엇일까요?

고전단 믹서, 비드 밀 또는 고압 균질기와 같은 다른 분산 및 혼합 기술이 한계에 도달할 때, 초음파 처리는 마이크로 및 나노입자 가공에서 두각을 나타내는 방법입니다.
고출력 초음파와 초음파로 발생하는 음향 캐비테이션은 고유한 에너지 조건과 극도로 높은 에너지 밀도를 제공하여 나노소재의 응집 해체 또는 박리, 기능화, 상향식 공정을 통한 나노구조 합성, 고성능 나노복합체 제조를 가능하게 합니다.
Hielscher 초음파 장치는 강도(Ws/mL), 진폭(µm), 온도(ºC/ºF), 압력(bar)과 같은 가장 중요한 초음파 처리 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있으므로 각 소재와 공정에 맞는 최적의 설정으로 처리 조건을 개별적으로 조정할 수 있습니다. 따라서 초음파 분산기는 활용 범위가 매우 넓으며, CNT 분산, 그래핀 박리, 코어–셸 입자의 초음파화학적 합성 또는 실리콘 나노입자의 기능화 등 다양한 용도에 사용할 수 있습니다.

900°C에서 2 h 동안 소성하여 초음파화학적으로 제조한 Na0.44MnO2의 SEM 현미경 사진.
(연구 및 사진: ©Shinde et al., 2019)

배터리 제조 시 나노소재 가공에 사용하는 Hielscher 산업용 초음파 처리기에 대해 자세히 알아보세요!

아래에서 초음파를 이용한 다양한 나노소재 가공 응용 분야를 확인할 수 있습니다:

나노복합체의 초음파 합성

그래핀–SnO₂ 나노복합체의 초음파 합성: Deosakar et al. (2013)의 연구팀은 그래핀–SnO2 나노복합체를 제조하기 위한 초음파 보조 공정을 개발했습니다. 연구팀은 그래핀–SnO2 복합체 합성 중 고출력 초음파로 발생하는 캐비테이션 효과를 조사했습니다. 초음파 처리에는 Hielscher Ultrasonics 장치를 사용했습니다. 결과는 초음파를 통해 SnO₂ 가 그래핀 나노시트에 미세하고 균일하게 담지됨을 보여줍니다. 이는 산화 그래핀과 SnCl₂·2H₂O 사이의 산화–환원 반응에서 기존 합성 방법에 비해 개선된 결과입니다.

산화 그래핀과 SnO₂–그래핀 나노복합체의 형성 과정을 보여주는 도표.
(연구 및 사진: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–그래핀 나노복합체는 새롭고 효과적인 초음파 보조 용액 기반 화학 합성 공정을 통해 성공적으로 제조되었으며, HCl이 존재하는 조건에서 산화 그래핀은 SnCl₂ 에 의해 그래핀 시트로 환원되었습니다. TEM 분석에서는 SnO₂ 가 그래핀 나노시트에 균일하고 미세하게 담지되어 있음을 보여줍니다. 초음파 조사로 발생한 캐비테이션 효과는 그래핀 나노시트에 SnO2가 미세하고 균일하게 담지되는 현상을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 이 현상은 산화 그래핀과 SnCl₂·2H₂O 사이의 산화–환원 반응 중에 일어납니다. 환원된 그래핀 나노시트에 SnO2 나노입자(3–5 nm)가 더욱 미세하고 균일하게 담지되는 것은 초음파 조사로 유도된 캐비테이션 효과가 핵 생성과 용질 전달을 향상시키기 때문입니다. 그래핀 나노시트에 SnO₂ 나노입자가 미세하고 균일하게 담지된 것은 TEM 분석에서도 확인되었습니다. 합성된 SnO₂–그래핀 나노복합체를 리튬 이온 배터리의 음극 소재로 사용하는 응용이 입증되었습니다. SnO₂–그래핀 나노복합체 기반 리튬 배터리의 용량은 약 120회 사이클 동안 안정적으로 유지되며, 배터리는 안정적인 충전–방전 반응을 반복할 수 있었습니다. (Deosakar et al., 2013)

SnO₂–그래핀 나노복합체를 초음파화학적 방법으로 제조한 후 촬영한 TEM 이미지. 스케일 바는 (A)에서 10nm, (B)에서 5nm를 나타냅니다.
(연구 및 사진: ©Deosakar et al., 2013)

배터리 슬러리 내 나노입자의 초음파 분산

전극 구성 성분의 분산: Waser et al. (2011)은 인산철리튬(LiFePO₄)을 사용하여 전극을 제조했습니다. 슬러리에는 활물질인 LiFePO4와 전기 전도성 첨가제인 카본 블랙이 포함되었으며, N-메틸피롤리디논(NMP)에 용해된 폴리비닐리덴 플루오라이드가 바인더로 사용되었습니다. 전극 내 AM/CB/PVDF의 질량비(건조 후)는 83/8.5/8.5였습니다. 현탁액을 제조하기 위해 모든 전극 구성 성분을 NMP에서 초음파 교반기(UP200H, Hielscher Ultrasonics)로 200 W 및 24 kHz에서 2 min 동안 혼합했습니다.
LiFePO₄ 의 낮은 전기 전도성과 일차원 채널을 따른 느린 리튬 이온 확산 문제는 LiFePO₄ 를 카본 블랙과 같은 전도성 매트릭스에 매립하여 극복할 수 있습니다. 나노 크기 입자와 코어–셸 입자 구조는 전기 전도성을 향상시키므로, 초음파 분산 기술과 코어–셸 입자의 초음파화학적 합성을 통해 배터리 응용을 위한 우수한 나노복합체를 제조할 수 있습니다.

인산철리튬의 분산: Hagberg의 연구팀(Hagberg et al., 2018)은 초음파 처리기 UP100H 를 사용하여 인산철리튬(LFP)으로 코팅된 탄소 섬유로 구성된 구조용 양극을 제조하였습니다. 탄소 섬유는 집전체 역할을 하는 연속적인 자립형 섬유 다발이며, 기계적 강성과 강도를 제공합니다. 최적의 성능을 위해 전기영동 증착 등의 방법으로 섬유를 개별적으로 코팅합니다.
LFP, CB 및 PVDF로 구성된 혼합물의 다양한 질량비를 시험하였습니다. 이러한 혼합물을 탄소 섬유에 코팅하였습니다. 코팅 욕 내 분포가 불균일하면 코팅 욕의 조성이 코팅 자체의 조성과 다를 수 있으므로, 이러한 차이를 최소화하기 위해 초음파 처리로 강하게 교반합니다.
연구진은 입자가 코팅 전체에 비교적 잘 분산되어 있다고 보고하였으며, 이는 계면활성제(Triton X-100)의 사용과 전기영동 증착 전 초음파 처리 단계에 기인한다고 설명하였습니다.

EPD로 코팅된 탄소 섬유의 단면 및 고배율 SEM 이미지. LFP, CB 및 PVDF의 혼합물을 초음파 장치 UP100H로 초음파 균질화하였습니다. 배율: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(연구 및 사진: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ 복합 양극재의 분산:
Vidal et al. (2013)은 LiNi_0.5Mn_1.5O₄ 복합 양극에 대한 초음파 처리, 압력 및 재료 조성 등 공정 단계의 영향을 조사하였습니다.
양극 복합 전극은 LiNi_0.5 Mn_1.5O4 스피넬을 활물질로, 흑연과 카본 블랙의 혼합물을 전극의 전기 전도도를 높이는 성분으로, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 PVDF와 소량의 Teflon®(1 wt%) 혼합물을 전극을 형성하는 성분으로 사용하여 구성하였습니다. 닥터 블레이드 기법을 이용하여 집전체인 알루미늄 포일 위에 테이프 캐스팅하여 전극을 제조하였습니다. 또한 성분 혼합물에 초음파 처리를 하거나 하지 않았으며, 제조된 전극은 후속 냉간 프레스 공정에서 압축하거나 압축하지 않았습니다. 두 가지 배합을 시험하였습니다:
A 배합(Teflon® 미포함): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7.5 wt% 카본 블랙; 2.5 wt% 흑연; 12 wt% PVDF
B 배합(Teflon® 포함): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7.5wt% 카본 블랙; 2.5 wt% 흑연; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
두 경우 모두 성분들을 N-메틸피롤리디논(NMP)에 혼합하고 분산시켰습니다. LiNi_0.5 Mn_1.5O4 스피넬(2g)을 앞서 제시한 비율의 다른 성분들과 함께 11 ml의 NMP에 분산시켰습니다. 일부 특정한 경우에는 혼합물을 25 min 동안 초음파 처리한 다음 실온에서 48 h 동안 교반하였습니다. 다른 일부 경우에는 초음파 처리를 전혀 하지 않고 혼합물을 실온에서 48 h 동안 교반하기만 하였습니다. 초음파 처리는 전극 성분의 균일한 분산을 촉진하며, 얻어진 LNMS 전극은 더욱 균일한 외관을 보입니다.
질량이 최대 17mg/cm2에 달하는 고질량 복합 전극을 제조하여 리튬 이온 배터리용 양극으로 연구하였습니다. Teflon®의 첨가와 초음파 처리의 적용으로 알루미늄 포일에 잘 부착된 균일한 전극이 형성됩니다. 두 매개변수 모두 높은 율속(5C)에서 인출되는 용량을 향상하는 데 기여합니다. 전극/알루미늄 조립체를 추가로 압축하면 전극의 율속 성능이 현저하게 향상됩니다. 5C 율속에서 80%에서 90% 사이의 뛰어난 용량 유지율을 보인 것은 질량이 3–17mg/cm² 범위이고 조성에 Teflon®을 포함하며, 성분 혼합물을 초음파 처리한 후 2 톤/cm²의 압력으로 압축한 전극입니다.
요약하면, 조성에 1 wt% Teflon®을 포함하고 성분 혼합물에 초음파 처리를 적용한 후 2 톤/cm2에서 압축하였으며 질량이 2.7–17 mg/cm2 범위인 전극은 뛰어난 율속 성능을 보였습니다. 5C의 높은 전류에서도 이러한 모든 전극의 정규화된 방전 용량은 80%에서 90% 사이였습니다. (참조: Vidal et al., 2013)

배터리 생산을 위한 고성능 초음파 분산기

Hielscher Ultrasonics는 리튬 이온 배터리(LIB), 나트륨 이온 배터리(NIB) 및 기타 배터리 셀에 사용되는 양극, 음극 및 전해질 소재를 처리하는 고출력, 고성능 초음파 장비를 설계, 제조 및 공급합니다. Hielscher 초음파 시스템은 나노복합체 합성, 나노입자 기능화, 나노소재를 균일하고 안정적인 현탁액으로 분산하는 데 사용됩니다.
실험실 규모부터 완전한 산업 규모까지 초음파 처리기 제품군을 제공하는 Hielscher는 고성능 초음파 분산기 시장의 선도 기업입니다. Hielscher Ultrasonics는 30년 넘게 나노소재 합성과 크기 감소 분야에서 활동해 왔으며, 초음파 나노입자 처리에 관한 폭넓은 경험을 바탕으로 시중에서 가장 강력하고 신뢰성이 가장 높은 초음파 처리기를 제공합니다. 독일 엔지니어링은 최첨단 기술과 견고한 품질을 제공합니다.
첨단 기술, 고성능 및 정교한 소프트웨어를 갖춘 Hielscher 초음파 처리기는 전극 제조 공정에서 신뢰할 수 있는 핵심 장비로 활약합니다. 모든 초음파 시스템은 독일 텔토에 있는 본사에서 제조되며, 품질과 견고성 시험을 거친 후 독일에서 전 세계로 공급됩니다.
Hielscher 초음파 처리기의 정교한 하드웨어와 스마트 소프트웨어는 신뢰할 수 있는 작동, 재현 가능한 결과 및 사용자 편의성을 보장하도록 설계되었습니다. Hielscher 초음파 처리기는 견고하고 성능이 일관되어 까다로운 환경에 설치하고 고부하 조건에서 운전할 수 있습니다. 디지털 컬러 터치 디스플레이와 브라우저 원격 제어를 통해 이용할 수 있는 직관적인 메뉴에서 운전 설정에 쉽게 접근하고 값을 조절할 수 있습니다. 따라서 순에너지, 총에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전 초음파 처리 운전 기록을 검토하고 비교하며, 나노소재와 복합체의 합성, 기능화 및 분산을 최적화하여 최고의 효율을 달성할 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics 시스템은 전 세계에서 나노소재의 초음파 화학적 합성에 사용되며, 나노입자를 안정적인 콜로이드 현탁액으로 분산하는 데 신뢰성이 입증되었습니다. Hielscher 산업용 초음파 처리기는 높은 진폭으로 연속 운전할 수 있으며 24/7 운전용으로 제작되었습니다. 표준 소노트로드(초음파 프로브 / 혼)를 사용하면 최대 200µm의 진폭을 손쉽게 연속적으로 생성할 수 있습니다. 더 높은 진폭이 필요한 경우 맞춤형 초음파 소노트로드를 이용할 수 있습니다.
초음파 화학적 합성, 기능화, 나노구조화 및 응집체 해체용 Hielscher 초음파 처리기는 이미 전 세계에 상업적 규모로 설치되어 있습니다. 배터리 제조를 위한 나노소재 관련 공정 단계를 논의하려면 지금 문의해 주십시오! 풍부한 경험을 갖춘 담당자가 우수한 분산 결과, 고성능 초음파 시스템 및 가격에 관한 자세한 정보를 기꺼이 안내해 드립니다!
초음파 처리의 이점을 활용하면 첨단 전극 및 전해질 생산에서 다른 전극 제조업체와 비교하여 효율성, 간편성 및 저비용 측면에서 뛰어난 성과를 거둘 수 있습니다!

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: