지르코니아 비드는 리튬 이온 배터리의 양극 및 음극 재료를 분쇄하는 데 사용됩니다. 지르코니아 비드를 이용하여 인산철리튬(LiFePO4)을 제조하는 세 가지 방법은 다음과 같다.
탄수화물 감소 방법
탄소열환원법은 탄소의 환원성을 활용해 Fe3+를 환원시키는 동시에 LiFePO4 표면에 탄소 코팅을 형성하는 방식이다. 이 탄소 코팅은 입자 응집을 방지하고 입자 간 접촉을 증가시키며 전기 전도성을 향상시킵니다. 장점 중 하나는 합성 시 강력한 환원 분위기를 조성해 2가 철 화합물뿐만 아니라 3가 철 화합물도 철원으로 사용할 수 있어 비용을 절감할 수 있다는 점이다. 미국의 Valence 및 Suzhou Hengzheng과 같은 회사는 LiFePO4 준비를 위해 이 방법을 채택했습니다. 이 방법은 단일 소결 후에 샘플을 얻을 수 있는 간단하고 제어 가능한 생산 공정의 이점을 제공하여 LiFePO4 산업화를 위한 대체 경로를 제공합니다. Fe2O3, Li2CO3, NH4H2PO4 및 카본블랙을 원료로 하여 탄열환원법을 통해 LiFePO4/C 분말을 제조합니다. 불활성 분위기에서 700°C에서 합성된 LiFePO4/C는 우수한 결정성과 150mAh/g의 높은 초기 충방전 용량을 나타냅니다. 산화철을 철원으로 이용한 인산철리튬 양극재 제조 및 탄열환원법에 대한 연구에서는 반응 메커니즘을 규명하고 있다. 반응은 Fe2O3 → Fe3O4 → FeO이며, FeO는 600°C에서 LiH2PO4와 반응하여 LiFePO4를 생성합니다. CH3COOLi, NH4H2PO4, Fe(CH3COO)2, 구연산을 원료로 볼밀링, 건조, 프레싱, 소결을 거쳐 원하는 제품을 얻습니다. 이 샘플은 0.2C 속도에서 초기 방전 용량이 148mAh/g이고 50사이클 후 용량 손실률이 3%에 불과하여 우수한 전기화학적 성능을 나타냅니다. 세 가지 공정 요소인 소결 온도, 소결 시간, 탄소 함량이 전기화학적 성능에 미치는 영향을 연구했습니다. 최적화된 실험을 통해 최적의 공정 조건은 탄소 함량 12%, 750°C에서 15시간 소결인 것으로 나타났으며, 이 조건에서 합성된 시료는 초기 충방전 용량 140mAh/g, 80사이클 후 용량 유지율 97%.
마이크로파 소결 방법
마이크로파 소결 방식은 투과력이 강한 것이 특징으로 대상물의 표면과 중심을 동시에 가열할 수 있어 균일한 열분포를 얻을 수 있습니다. 다른 가열 방식에 비해 가열 속도가 빠르고, 합성 시간이 짧으며, 균일한 가열, 낮은 에너지 소비를 자랑합니다. 마이크로파 방법을 사용한 LiFePO4의 제조에는 지르코니아 비드를 사용하여 Fe(CH3COO)2, Fe(CH2CHOHCOO)2·2H2O 및 Fe를 철 공급원으로 Li2CO3 및 NH4H2PO4와 화학량론적 비율로 볼 밀링하는 작업이 포함됩니다. 건조 및 압착 후 샘플을 도가니에 넣고 가정용 전자레인지에서 가열합니다. 특히, Fe(CH2CHOHCOO)2는 마이크로파를 흡수하지 않으므로 반응하지 않습니다. 실험 결과는 마이크로파 가열 시간이 LiFePO4 합성에 중요한 요소임을 나타냅니다. 철 공급원인 Fe에서 추출한 샘플은 60°C 및 0.1C 속도에서 초기 방전 용량이 125mAh/g인 우수한 전기화학적 성능을 나타냅니다. FeC2O4를 원료로 흑연분말 15%를 혼합하고 분쇄, 압착, 전분해 과정을 거친 후 샘플을 500W 가정용 전자레인지에 넣습니다. 가열 시간을 분석하면 샘플의 구조와 형태에 미치는 영향이 드러납니다. 가열 5분 후에 LiFePO4가 형성되기 시작하지만 결정 구조가 불완전하고 덩어리져 있습니다. 9분 동안 가열하면 날카로운 회절 피크가 나타나며, 이는 가장 작은 입자 크기를 가진 잘 발달된 결정을 나타냅니다. 그러나 11분 동안 가열하면 과도한 가열로 인한 분해로 인해 불순물상인 Fe3(PO4)2가 형성될 수 있습니다. 9분간 마이크로웨이브 가열 후 얻은 최적의 샘플은 입자 크기가 가장 작고 초기 방전 용량이 148mAh/g인 완전한 결정 구조를 나타냅니다.
기계화학적 방법
기계화학적 방법은 고도로 분산된 화합물을 제조하는 데 사용됩니다. 기계적 힘을 가하면 입자가 분해되어 접촉 면적이 늘어나고 격자 결함이 발생하여 화학 반응이 촉진됩니다. LiOH, FeC2O4, (NH4)2HPO4를 원료로 하여 기계적 합금화 공정을 통해 전기화학적 성능이 우수한 LiFePO4 양극재를 제조합니다. 지르코니아 비드를 사용하여 Fe3(PO4)2, Li3PO4, sucrose를 유성 볼밀에서 24시간 동안 볼밀링한 후 질소 분위기 하에서 500°C에서 15분간 열처리하면 LiFePO4가 합성됩니다. 열처리된 LiFePO4는 전도성 탄소 첨가제를 사용하여 완전한 결정 구조를 나타냅니다. 0.2C 속도에서의 방전 비용량은 이론치 160mAh/g에 가까워 우수한 사이클링 성능을 보여줍니다.
결론
요약하면, 지르코니아 비드는 리튬 배터리용 양극 및 음극 재료의 분쇄 공정, 특히 인산철리튬 제조에서 중요한 역할을 합니다. 이를 적용하면 열탄소 환원 방법, 마이크로파 소결 방법, 기계화학적 방법 등 세 가지 독특한 준비 방법이 가능해 놀라운 결과를 얻을 수 있습니다. 공정 매개변수를 최적화함으로써 이러한 방법은 전기화학적 성능이 높은 리튬 철 인산염 재료를 성공적으로 생산하여 리튬 배터리의 성능 향상 및 산업 생산을 강력하게 지원합니다 . 지속적인 기술 발전과 추가 연구를 통해 리튬 배터리 분야에서 지르코니아 비드의 적용이 더욱 확대되어 신에너지 분야 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.
