리튬-이온 배터리 산업에서 미세다공성 포일의 응용 및 연구 방향

리튬{0}}이온 배터리, (슈퍼)커패시터, 유연한 전자 장치 및 전자파 차폐 재료는 미세 다공성 동박의 주요 응용 분야입니다. 이 개발은 전기 자동차, 폴더블 스크린 휴대폰 배터리, 5G 기지국 전자파 차폐 등의 신기술에 의해 주도되며 산업 체인에서 상당하고 빠르게 성장하는 점유율을 차지하고 있습니다.

현재 미세다공성 동박을 제조하는 일반적인 공정은 주로 레이저 드릴링, 기계적 펀칭, 전기화학적 에칭, 용액 에칭 등이 있다. 아래 표에서 볼 수 있듯이 용액 에칭은 미세 다공성 동박 제조에 뚜렷한 이점을 제공합니다.

리튬{0}이온 배터리의 비에너지를 높이는 방법에는 본질적으로 더 높은 용량의 양극 및 양극 재료를 사용하고, 분리막 종이를 얇게 만들고, 구리 및 알루미늄 호일을 얇게 하고, 기타 보조 첨가제를 최대한 최소화하는 것이 포함됩니다.

The undisputed focus of research and development lies in higher-weight-capacity cathode and anode materials (collectively accounting for over 50% of the total weight). Lithium iron phosphate has little potential left to tap, while ternary materials are progressing towards higher nickel content (NCM 111 -> 523 -> 622 -> 811 ->NCA?). 양극 측면에서는 실리콘-탄소 소재의 성숙 여부에 따라 진행 상황이 크게 좌우됩니다. 높은 팽창 계수는 어떻습니까? 사이클 수명이 충분하지 않은 경우는 어떻습니까? 또 다른 방법으로는 더 얇은 분리막을 사용하는 방법이 있는데, 분리막은 배터리 무게의 4~5%밖에 차지하지 않으며, 지나치게 얇은 분리막은 양극{5}}양극 단락의 위험을 높여 이득보다 손실이 더 커지는 경우가 많습니다.

현재 리튬{0}}이온 배터리 생산에 사용되는 기존 동박 두께는 8μm~12μm(일부 3C 디지털 배터리에는 이미 6~7μm 동박이 사용됨)이고, 알루미늄박 두께는 12μm~20μm이다. 양극과 양극의 전도성 기판으로 리튬{11}}이온 배터리 중량의 15%~20%를 차지합니다. 비에너지를 높이기 위해 구리와 알루미늄 호일의 중량 비율을 어떻게 더 줄일 수 있습니까? 미세 다공성 구리 및 알루미늄 호일이 고안된 것은 이러한 상황에서였습니다.

미세 다공성 구리/알루미늄 호일의 기존 사양(기계 가공을 통해 기공이 생성되고 호일의 원래 물리적 특성이 유지되며 코팅 시 파손이 발생하지 않으며 버-가 없고-누출이 없음)

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미세다공성 포일이 리튬-이온 배터리 응용 분야에 어떤 이점을 제공합니까? (예를 들어 다공성 17%의 미세 다공성 포일을 사용함)

• 리튬-이온 배터리 비에너지를 직접적이고 효과적으로 증가시킵니다. 동일한 사양의 포일의 경우 다공성이 17%인 미세 다공성 포일은 무게를 17% 줄입니다. 동일한 면적 밀도에서 음극과 양극의 압축 밀도가 증가합니다(일부 활성 물질이 기공을 채우므로).

• 리튬-이온 배터리 속도 성능을 효과적으로 향상시킵니다. 기존 포일을 사용하는 배터리에서는 리튬{1}이온 이동이 포일을 따라 2차원 방식으로 탭 쪽으로 확산됩니다.- 천공 후 리튬-이온 확산 경로는 3차원-전방향 침투로 변환됩니다. 또한, 기공으로 들어가는 활물질과 호일 ​​사이의 접촉 면적이 증가하여 리튬-이온 이동 반경이 감소하여 전도성 효율이 향상됩니다. (개인 의견: 리튬-이온 속도 성능을 제한하는 병목 현상은 전자 전도가 아니라 리튬{10}}이온 전달 효율에 있습니다. 예를 들어 속도-형 배터리의 전도성 제로 다공성 Ketjen 블랙을 적용하면 비-비다공성 전도성 에이전트보다 더 나은 실험 결과를 얻을 수 있습니다.)

• 리튬-이온 배터리 내부 저항을 효과적으로 감소시킵니다. 동일한 호일 재료를 사용한 비교 테스트에서는 천공 구리와 알루미늄 호일을 동시에 사용하면 내부 저항을 8%---20%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.

이론적 근거는 전도성 호일과 활물질 사이의 접촉 면적 증가와 호일 자체 내부 저항의 감소가 결합된 효과인 것으로 추정됩니다. 개인적인 의견: 음극/양극 전극의 코팅 두께가 호일의 미세 기공 반경보다 작을 경우 내부 저항이 증가할 수 있습니다. 반대로 감소합니다. 코팅의 가장 바깥쪽 층에 있는 리튬 이온에서 호일 표면까지의 거리는 속도 성능과 관련이 있습니다. 셀 설계에서는 면적 밀도가 높을수록 달성 가능한 속도 성능이 낮아질 수 있습니다.

• 주입 후 전해질 침투 효율을 크게 향상시키고 100% 침투 균일성을 보장합니다. 기존 호일을 사용하는 배터리에서는 전해질이 주변에서 세로 방향으로 중앙을 향해 확산 및 침투됩니다. 천공 후 침투는 3차원 투과 확산 과정이 되어 일부 전극 시트 중앙에서 불완전 침투 문제를 완전히 제거합니다. 업계 내에서는 일관성 없는 침투가 개별 셀 간의 일관성이 불충분한 이유 중 하나로 확인되었습니다.

• 호일의 표면 접착력 증가: 기공 내부 소재를 통해 양극/양극 전극 시트 양면의 코팅이 "I-빔" 인터로킹 구조를 형성하여 전극 소재 박리 가능성을 크게 줄입니다.

• 전극 시트의 굽힘 유연성을 향상시켜 유연한 배터리 애플리케이션에 더욱 적합하게 만듭니다. (일부 회사에서는 이미-웨어러블 리튬 배터리용으로 대량 생산하여 성능이 크게 향상되었습니다.)

• 배터리 안전성 향상: 여러 배터리 제조업체에서 실시한 테스트를 통해 안전성에 대한 역할이 검증되었으며, 유럽 고객들로부터도 테스트 인정을 받았습니다.
• 리튬-이온 배터리 비에너지를 직접적이고 효과적으로 증가시킵니다. 동일한 사양의 포일의 경우 미세 다공성 포일의 무게가 감소합니다. 동일한 면적 밀도에서 음극과 양극의 압축 밀도가 증가합니다(일부 물질이 기공을 채움에 따라).
• 리튬-이온 배터리 속도 성능을 효과적으로 향상시킵니다. 기존 포일을 사용하는 배터리에서는 리튬{1}이온 이동이 포일을 따라 2차원 방식으로 탭 쪽으로 확산됩니다.- 천공 후 리튬{4}}이온 확산 경로는 3차원 전방향 침투로 변환되고, 기공으로 들어가는 재료와 포일 사이의 접촉 면적이 증가하여 리튬{6}}이온 이동 반경이 감소하여 전도성 효율이 향상됩니다.
• 리튬-이온 배터리 내부 저항을 효과적으로 감소시킵니다. 미세 다공성 포일을 사용하면 내부 저항을 효과적으로 낮출 수 있습니다.
• 전해질 습윤성 향상: 리튬 배터리에 주입한 후 전해질 침투 효율을 크게 높일 수 있어 잠재적으로 생산 효율성을 50% 이상 향상시키는 동시에 100% 침투 균일성을 보장할 수 있습니다.
• 집전체에 대한 슬러리 접착력을 향상시킵니다. 포일의 표면 접착력을 높입니다. 기공 내부의 물질을 통해 전극 시트 양면의 코팅이 "H"-자 모양의 맞물림 상태를 형성하여 전극 물질이 박리될 가능성을 크게 줄입니다.
• 전극 시트의 굽힘 유연성을 향상시켜 유연한 배터리 애플리케이션에 더욱 적합하게 만듭니다.
• 배터리 가스 발생 감소: 미세 다공성 알루미늄 호일 가공 시 호일 표면을 2차 세척하여 잔류 오일을 제거하여 전해액과의 부반응을 줄입니다.
• 생산 공정이나 장비 변경이 필요하지 않습니다. 미세 다공성 포일을 사용하면 장비를 추가하거나 교체할 필요 없이 코팅 및 캘린더링과 같은 기존 생산 공정의 요구 사항을 충족합니다.

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• 코팅 누출 방지: 미세 다공성 구리/알루미늄 호일 코팅 공정 중 압출/분사 시 슬러리 점도가 지나치게 낮아져 호일 기공을 통한 슬러리 누출 방지가 필수적입니다. 기공 크기와 다공성 수준이 다른 포일은 슬러리에 대한 점도 요구 사항이 다릅니다. 다공도가 17%이고 기공 직경이 0.35mm인 미세 다공성 알루미늄 호일을 예로 들면, 테스트에 따르면 양극 재료 점도는 약 8,000mPa·s, 바람직하게는 6,000mPa·s 이상이어야 합니다. 압출 스프레이 공정 중에 컨베이어 속도를 적절하게 조정해야 합니다. (슬러리를 너무 오래 방치하면 반대쪽으로 약간의 누출이 발생할 수 있으나, 급속 건조로 해결될 수 있습니다.)
• 전극 슬리팅 중 Burr 제어: 마지막으로 리튬{0}}이온 배터리에 미세 다공성 구리 또는 알루미늄 호일을 사용하여 이미 실험을 수행한 동료들이 데이터를 공유하고 상호 교류할 수 있기를 바랍니다.
• 추가 참고 사항: 리튬 커패시터, 슈퍼커패시터, Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리에 미세 다공성 동박을 사용하면 성능이 매우 향상됩니다. 대규모 채택을 달성하지 못하는 이유는-비용 때문입니다. 기공 생성을 위해 기계 가공을 사용하면 생산 효율성이 매우 높습니다. 대규모 대량 생산 후 비용은 기존 양면 평활 동박보다 약간 높을 것으로 추정됩니다.-

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• 전원 배터리

신에너지 차량, 에너지 저장 발전소 등에 리튬 배터리 음극 집전체의 핵심 소재로 사용됩니다. 미세다공성 구조는 리튬-이온 수송 효율을 향상시키고, 내부 저항을 감소시키며, 고속 충전/방전 요구를 충족하고, 배터리 사이클 안정성과 에너지 밀도를 크게 향상시킵니다.

• 유연한 전자 장치

유연한 인쇄 회로 기판 및 웨어러블 장치 회로 기판에 사용됩니다. 얇고 가벼우며 다공성인 특성을 활용하여 반복적인 굽힘 및 롤링과 관련된 시나리오에 적응하여 안정적인 회로 전도를 보장하고 스마트워치 및 플렉서블 스크린과 같은 제품의 유연한 설계 요구 사항을 충족합니다.

• 전자파 차폐

통신 기지국, 정밀 기기, 군용 전자 장치 및 기타 시나리오에 사용됩니다. 다공성 구조는 전자파 흡수 및 감쇠 기능을 향상시켜 전자파 간섭을 효과적으로 차단하고 복잡한 전자파 환경에서 장비의 작동 정확성과 안전성을 보장합니다.

• 열 관리 구성 요소

고전력 기기의 방열 기판 핵심 소재로서-비표면적이 높아 열 전도 및 방산을 촉진합니다. 열 밀도가 높은 시나리오에 적합하며 고전력 칩, LED 조명, 5G RF 장치의 과열 문제를 해결하고 성능 저하를 방지합니다.

이 미세 다공성 동박의 성능 이점은 상당하며 뛰어난 비용-성능을 제공합니다. 누오드투자(Nuode Investment Co., Ltd.), 후쿠다(Fukuda), 미쓰이(Mitsui) 등 선두 기업의 관련 제품과 비교해 넓은 시장 전망을 자랑한다. 하드 기술이 새로운 시장을 가져옵니다! 새로운 기회! 새로운 미래!

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