리튬 배터리 양극재의 미세 분쇄 공정에는 제트 밀과 기계식 밀이 일반적으로 사용됩니다. 이 두 장비는 분쇄 원리와 효율성에서 상당한 차이가 있습니다. 제품 사양, 품질 요구 사항 및 에너지 소비 목표를 달성하기 위해서는 재료 특성에 따라 적절한 분쇄 장비를 선택하고 공정 매개변수를 최적화하는 것이 매우 중요합니다.
이 기사의 제목은 다음과 같습니다. “"장비 집중 분석: 성능 비교" 제트 밀 기계식 분쇄기와 미세 분쇄기의 비교”, 다음 섹션들을 다룹니다:
1. 제트 밀
여기서 설명하는 제트 밀은 유동층 제트 밀입니다. 시스템 장비 흐름도는 그림 1에 나와 있습니다.
1 – 공기 압축기, 2 – 공기 탱크, 3 – 냉각 및 정화 시스템, 4 – 공급 시스템, 5 – 분쇄 메커니즘, 6 – 수평 분류 메커니즘, 7 – 사이클론 분류 시스템, 8 – 필터 시스템, 9 – 흡입 팬
그림 1: 제트 밀 시스템 장비 흐름도
냉각, 여과 및 건조된 압축 공기는 2차원 또는 3차원으로 배열된 여러 개의 노즐을 통해 분쇄 챔버로 분사되어 초음속 기류를 형성합니다. 이 제트의 운동 에너지는 재료를 유동화시킵니다. 가속된 입자는 노즐 제트의 교차점에서 수렴하여 강렬한 충돌, 마찰 및 전단력을 받아 초미세 분쇄가 이루어집니다. 분쇄된 재료는 상승하는 기류에 의해 분류 영역으로 이송됩니다. 원심력에 의해 분류기 회전 휠과 팬의 흡입력에 의해 굵은 입자와 미세 입자가 분리됩니다. 굵은 입자는 중력에 의해 분쇄실로 다시 떨어져 추가 분쇄됩니다. 크기 기준을 충족하는 미세 입자는 공기 흐름과 함께 사이클론 분리기로 들어가 추가 분리 및 수집되고, 재료 내의 미세 입자는 집진 시스템으로 이동합니다.
제트 밀 공정에서 주요 장비 매개변수는 다음과 같습니다. 노즐 직경, 이송 속도, 연삭 압력, 분류기 휠의 선속도 및 공기 흡입량. 이러한 요소들은 제품 사양, 품질 및 생산량에 종합적으로 영향을 미칩니다.
(1) 노즐
제트 밀에 사용되는 노즐은 스웨덴 엔지니어 구스타프 드 라발이 발명했기 때문에 제트 밀 노즐이라고 불립니다. “라발 노즐”. 노즐의 앞부분은 넓은 면적에서 좁은 목 부분으로 수렴한 다음, 작은 면적에서 다시 넓은 면적으로 발산합니다. 이러한 구조로 인해 공기 흐름 속도(v)가 노즐 단면적에 따라 변하게 되며, 공기 흐름을 아음속에서 음속으로, 최종적으로는 초음속으로 가속시킵니다.
그림 2: 라발 노즐의 개략도
압축 공기는 노즐을 통과한 후 초음속이 되어 분쇄 챔버로 들어갑니다. 공기 흐름과 재료의 충격으로 인해 노즐은 높은 기계적 강도와 내마모성을 요구합니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 스테인리스강 노즐은 한 달 사용 후 심각한 마모를 보입니다. 이러한 마모는 공기 흐름장을 교란시켜 분쇄 제품의 입자 크기와 비표면적에 영향을 미칠 뿐만 아니라 금속 오염을 유발하여 제품 품질을 저하시킵니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 그림 3b와 같이 세라믹 노즐이 현재 널리 사용되고 있습니다.
그림 3. a 스테인리스강 노즐 b 세라믹 노즐
(2) 분류기 휠
분류 휠은 전면 플랜지, 후면 플랜지, 여러 개의 날개 및 공기 밀봉 디스크로 구성됩니다. 인접한 날개 사이의 간격은 공급 채널 역할을 하며, 날개의 안쪽 면은 공동을 형성합니다. 분류기 휠의 선형 속도가 높을수록 제품 입자 크기가 작아집니다. 선형 속도는 분류기 휠 직경 및 회전 속도 모두와 양의 상관관계를 갖습니다. 분쇄실 내 재료 부하는 분류기 휠 모터 전류를 통해 모니터링할 수 있으며, 전류가 높을수록 분쇄실에 재료가 더 많다는 것을 나타냅니다.
재료가 분류 휠과 충돌하여 충격을 가합니다. 그림 4a/b에서 볼 수 있듯이 스테인리스강 분류 휠은 장기간 사용 후 마모됩니다. 이를 방지하기 위해 그림 4c에서와 같이 세라믹 분류 휠이 널리 사용되고 있습니다.
a. 스테인리스 스틸 재질(마모됨), b. 스테인리스 스틸 재질(일반), c. 세라믹 재질
그림 4. 분류기 휠
(3) 제품 사양
제트 밀 매개변수와 제품 입자 크기/산출량 간의 관계는 다음과 같습니다.
- “—” 노즐 직경과 입자 크기 사이에 직접적인 상관관계가 없음을 나타냅니다.
- “↗” 매개변수가 증가함에 따라 제품 사양이 향상됨을 나타냅니다.
- “↘” 매개변수가 증가함에 따라 제품 사양이 저하됨을 나타냅니다.
참고: 각 매개변수의 영향 가중치는 다릅니다.
| 지표/매개변수 | 노즐 직경 | 공급 속도 | 연삭 디스크 선형 속도 | 분류기 휠 선형 속도 | 흡입 드래프트 레벨 |
| 입자 크기 | — | ↘ | ↘ | ↘ | ↗ |
| 생산 능력 | ↗ | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
매개변수 조정 프로세스:
- 장비 모델 및 예상 용량을 기준으로 노즐 크기를 미리 선택하십시오.
- 재료의 목표 입자 크기에 따라 적절한 선형 속도 범위(분류기 휠 RPM)를 결정합니다.
- 재료 특성(예: 단결정, 다결정, 경질 응집체, 연질 응집체)에 따라 적절한 분쇄 압력 범위를 설정하십시오. 압력이 과도하면 제거하기 어려운 미분 입자가 과도하게 생성됩니다.
- 용량 요구 사항에 따라 공급 속도와 공기 흡입량을 최적화하십시오.
- 최종 생산량 및 에너지 소비량을 기준으로 노즐 직경 최적화 여부를 재평가하십시오.
2. 기계식 분쇄기
여기서 논의하는 기계식 분쇄기는 기계식 충격 분쇄기입니다. 시스템 장비 흐름도는 그림 5에 나와 있습니다.
1. 전기 제어 캐비닛, 2. 공급 시스템, 3. 분쇄 메커니즘,
4. 분류 메커니즘, 5. 사이클론 분리 시스템, 6. 필터 시스템
그림 5. 기계식 분쇄기 시스템 장비 흐름도
공급 시스템을 통해 분쇄 챔버로 재료가 고르게 공급되면 고속으로 회전하는 분쇄 디스크에 의해 강한 충격을 받습니다. 동시에 원심력에 의해 재료가 분쇄 링과 충돌하면서 전단력, 마찰력, 충격력이 복합적으로 작용하여 크기가 감소됩니다. 분쇄된 재료는 공기 흐름에 의해 분류 구역으로 이동하여 굵은 입자와 미세 입자로 분리됩니다. 굵은 입자는 추가 분쇄를 위해 분쇄 챔버로 되돌아갑니다. 적합한 미세 입자는 공기 흐름과 함께 사이클론 분리기로 들어가 추가 분리 및 집진 과정을 거치고, 미세 입자는 집진 시스템으로 이동합니다.
기계식 분쇄기의 주요 장비 매개변수는 다음과 같습니다. 이송 속도, 연삭 디스크 선속도, 분류기 휠 선속도 및 공기 흡입량, 이는 제품 사양, 품질 및 생산량에 종합적으로 영향을 미칩니다.
(1) 연삭 디스크
연삭 디스크에는 연삭 핀이 장착되어 있습니다. 챔버 내부의 재료는 고속으로 회전하는 이 핀들에 의해 충격을 받습니다. 그림 6a는 금속 연삭 디스크를 보여주는데, 이는 장기간 작동 시 마모되어 금속 오염을 유발하기 쉽습니다. 현재는 세라믹 연삭 디스크가 일반적으로 사용됩니다. 세라믹은 금속보다 단단하고 내마모성이 뛰어나지만, 취성이 있어 일반적으로 금속 디스크에 비해 낮은 작동 선속도가 필요하며, 이로 인해 충격력이 다소 감소합니다. 연삭 디스크의 선형 회전 속도가 높을수록 제품 입자 크기가 작아집니다. 선속도는 디스크 직경 및 회전 속도 모두와 양의 상관관계를 갖습니다.
그림 6. a. 금속 연삭 디스크 b. 세라믹 연삭 디스크
(2) 제품 사양
기계식 분쇄기 매개변수와 제품 입자 크기/산출량 간의 관계는 다음과 같습니다.
- “—” 공급 속도와 입자 크기 사이에 직접적인 상관관계가 없음을 나타냅니다.
- “↗” 매개변수가 증가함에 따라 제품 사양이 향상됨을 나타냅니다.
- “↘” 매개변수가 증가함에 따라 제품 사양이 저하됨을 나타냅니다.
참고: 각 매개변수의 영향 가중치는 다릅니다.
| 지표/매개변수 | 공급 속도 | 연삭 디스크 선형 속도 | 분류기 휠 선형 속도 | 흡입 드래프트 레벨 |
| 입자 크기 | — | ↘ | ↘ | ↗ |
| 생산 능력 | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
기계식 분쇄기의 분류 휠 및 기타 매개변수 조정 과정은 제트 분쇄기의 그것과 유사합니다.
(3) 성능 비교
제트 밀과 기계식 밀의 서로 다른 분쇄 원리는 각각의 적용 분야, 생산량 및 에너지 소비량을 결정합니다. 근본적으로:
- 제트 밀스 초음속 기류를 이용하여 입자 간 충돌을 일으켜 크기를 줄입니다.
- 기계식 밀 그림 7에 나타낸 바와 같이 회전하는 디스크를 사용하여 재료를 고정된 핀과 챔버 벽에 부딪히게 하여 크기를 줄입니다.
그림 7: 제트 밀/기계식 밀 챔버에서의 입자 크기 감소 개략도
| 제트 밀 | 기계식 밀 | |
| 원칙 | 초음속 속도는 물질 간의 충돌을 일으킵니다. | 재료와 장비 사이의 전단 및 충돌 |
| 분쇄 강도 | 대형: 초음속 | 소형: 연삭 디스크의 선형 속도가 제한됨 |
| 에너지 소비 | 높음: 압축 공기 필요 | 낮음: 순환수를 이용하여 냉각합니다. |
| 비용 | 높은 | 낮은 |
| 장비 설치 공간 | 크기가 큰 | 작은 |
위 표는 종합적인 성능 비교를 요약한 것입니다. 기계식 분쇄기는 연질 응집 입자(예: 다결정 재료) 분쇄에 더 적합합니다. 일부 경질 응집 단결정 미세 입자의 경우, 최대 디스크 속도에서도 효과적인 분쇄가 이루어지지 않을 수 있습니다. 제트 분쇄기는 연질 및 경질 응집 입자(예: 단결정 재료) 모두를 분쇄할 수 있지만, 에너지 소비와 비용 측면에서 단점이 있습니다. 구조가 느슨한 일부 다결정 재료의 경우, 제트 분쇄 시 과도한 입자 파괴가 발생할 수 있습니다.
그림 8 제트 밀 분쇄와 기계식 밀 분쇄
그림 8은 제트 밀과 기계식 밀로 각각 분쇄한 단결정 NCM 삼원계 재료의 SEM 이미지를 보여준다. 제트 밀은 훨씬 뛰어난 분쇄력을 보여주며, 입자 사이의 단단한 응집체를 효과적으로 분해한다.
에픽 파우더
에픽 파우더 당사는 광물 산업 및 화학 산업 분야의 미세 분말 가공 기술을 전문으로 합니다., 음식 산업, 제약 산업 등 다양한 분야에서 20년 이상의 분말 가공 경험을 보유한 저희 팀은 중국 최대 규모의 초미세 중정석 분말 제트 밀 생산 라인을 설계 및 설치한 경력이 있습니다.
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— 제이슨 왕, 수석 엔지니어
