분쇄와 탈응집 사이에는 중요한 차이점이 있습니다. 분쇄는 1차 입자를 파괴할 만큼 충분한 에너지를 가하는 과정입니다. 고체 물질을 부수어 입자 크기를 줄이는 것이죠. 반면 탈응집은 합성, 취급 또는 건조 과정에서 뭉쳐진 입자들 사이의 약한 결합을 끊기 위해 더 낮은 수준의 제어된 에너지를 가하는 과정입니다. 1차 입자는 그대로 유지되고, 뭉쳐진 입자들만 분리됩니다.
구형 다공성 탄소, 리튬 철 인산염 양극 분말 및 합성 흑연과 같은 재료의 경우 탈응집이 적합한 공정입니다.
EPIC 파우더 머시너리의 핀 밀 탈응집 시스템은 충격 에너지를 정밀하게 제어함으로써 이 문제를 해결합니다. 핀이 촘촘히 박힌 역회전 디스크는 강렬하지만 짧은 기계적 충격을 발생시켜 1차 입자를 파괴하지 않고도 응집체 결합을 끊을 수 있습니다. 통합된 시스템과 결합하면 더욱 효과적입니다. 공기 분류기, 이 시스템은 입자 크기 범위를 엄격하게 유지하고 어떤 물질도 처리 영역에 필요 이상으로 오래 머무르지 않도록 합니다. 이 글에서는 세 가지 특정 응용 분야를 통해 이 시스템이 어떻게 작동하는지 설명하고, 각 응용 분야에 대한 공정 데이터를 제공합니다.
핀 밀이 분쇄 없이 응집물을 분리하는 방법
핀 밀은 공통 축을 중심으로 마주보게 장착된 두 개의 디스크로 구성되며, 각 디스크에는 동심원 형태의 핀 링이 있습니다. 역회전 구성에서는 각 디스크가 같은 방향으로 회전합니다. 인접한 핀 링 사이의 상대 속도는 바깥쪽 링에서 약 150~250m/s입니다. 공급 재료는 중앙에서 유입되어 연속적인 핀 링을 통과하며 바깥쪽으로 이동하면서 일련의 빠른 충격 과정을 거칩니다.
비파괴적 탈응집의 핵심은 체류 시간입니다. 입자는 밀리초 단위로 핀 필드를 통과합니다. 입자당 가해지는 총 에너지는 기존 방식보다 훨씬 낮습니다. 볼밀 또는 제트밀. 핀 밀은 응집체 덩어리를 서로 결합시키는 정전기적, 반 데르 발스 또는 약한 기계적 결합을 끊을 만큼의 충격량만 가합니다. 그런 다음 재료는 1차 입자 자체에 손상을 줄 만큼 충분한 에너지가 축적되기 전에 배출됩니다.
동적 공기 분류기와 함께 사용하면 이 시스템은 폐쇄 루프 방식으로 작동합니다. 성공적으로 탈응집되어 목표 입자 크기를 충족하는 물질은 제품 수집 시스템으로 배출됩니다. 목표 크기보다 큰 물질은 핀 필드를 다시 통과하도록 반환됩니다. 이는 이미 미세한 물질의 과처리를 방지하고 후속 체질 공정의 필요성을 없애줍니다.
핀밀 탈응집 공정이 측정 가능한 결과를 제공하는 세 가지 응용 분야
1. 구형 다공성 탄소 - 기공 구조 보존
구형 다공성 탄소는 열분해 및 활성화 공정을 통해 고도로 발달된 내부 기공 네트워크를 형성하여 생산됩니다. 이러한 기공 내부의 표면적은 슈퍼커패시터, 가스 흡착 및 고급 여과 분야에서 이 소재의 가치를 높이는 핵심 요소입니다. 그러나 합성 과정에서 구형 입자들이 응집되어 덩어리를 형성하고, 제트 밀이나 임팩트 밀을 사용하여 이러한 덩어리를 파쇄하려는 기존 방식은 기공 구조를 손상시키는 문제가 있습니다. BET 표면적 분석 결과, 제트 밀로 처리된 다공성 탄소는 일반적으로 처리 전 기준 물질에 비해 표면적이 10~201 TP3T 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 최종 응용 분야에서 성능 저하로 이어집니다.
핀밀 탈응집 공정은 기공 붕괴를 유발하는 지속적인 고에너지 접촉 없이 구형 입자 간 결합을 끊습니다. 대부분의 다공성 탄소 응용 분야에서 목표 입자 크기 사양은 다음과 같습니다.
- Dv10: 2.5 마이크론 이상 — 단위 부피당 과도한 표면적을 방지하기 위해 미세 입자를 제어합니다.
- Dn50: 6~8 마이크론 — 일관된 전극 또는 필터층 동작을 위한 중간 크기
- Dn100: 20미크론 미만 — 조대 응집체를 제거하는 엄격한 상한선
제트 밀 대신 핀 밀을 사용하여 이러한 사양을 달성하면 에너지 소비량도 크게 줄어듭니다. 핀 밀은 단단한 입자를 파쇄하는 데 필요한 압축 가스 에너지를 적용하지 않고, 입자 간 결합을 끊는 데 필요한 기계적 충격 에너지만 적용하기 때문입니다. 이 충격 에너지는 제트 밀에 비해 훨씬 낮습니다.
2. 리튬 배터리 재활용 - LFP와 알루미늄 호일 분리
리튬 이온 배터리 전극 시트가 수명을 다하여 재활용을 위해 수거될 때, 활성 양극 물질인 인산철(철 인산염 화학 배터리의 경우)은 알루미늄 집전 포일에 코팅되어 있습니다. 재판매 또는 재가공에 적합한 형태로 LFP 분말을 회수하려면, 포일이 미세한 알루미늄 입자로 분쇄되어 LFP를 오염시키지 않도록 포일에서 LFP를 분리해야 합니다.
이것이 바로 핀 밀의 차등 충격 메커니즘이 해결하는 문제입니다. LFP는 취성이 있어 핀 충격 시 파손되고 응집체가 분리됩니다. 반면 알루미늄 호일은 연성이 있어 동일한 충격에도 미세한 입자로 파손되지 않고 구부러지고 휘어지며 변형됩니다. 핀은 호일 표면에서 LFP 코팅을 효과적으로 벗겨내고 진동시켜 제거하는 반면, 호일은 큰 조각 형태로 온전하게 유지됩니다. 이후 공기가 주입됩니다. 분류 이 단계는 미세한 LFP 분말과 큰 알루미늄 플레이크 사이의 밀도 및 크기 차이를 이용합니다. 분류기는 이들을 쉽게 분리하며, 알루미늄은 조대 폐기물 흐름으로, 미세한 LFP 분말은 제품 흐름으로 이동합니다.
| LFP 재활용 공정 성능 목표 LFP 제품 D50: 핀밀 탈응집 후 약 10미크론 LFP 제품의 알루미늄 오염: 공기 분류기 분리 후 질량 기준으로 300ppm 미만 알루미늄 호일 상태: 큰 조각 형태가 보존되어 있어 알루미늄 별도 재활용 공정에 적합합니다. 이것이 중요한 이유: 알루미늄 오염도가 500ppm을 초과하면 LFP의 재판매 가치가 크게 떨어집니다. 호일 분쇄 과정에서 분리할 수 없는 미세 입자가 생성되어 LFP 제품에 혼입됩니다. |
대안적인 접근 방식으로는 열분해를 통해 결합제를 태워 없앤 후 기계적으로 분리하는 방법이나 용매를 이용하여 결합제를 용해하는 방법이 있는데, 이러한 방법들은 에너지 집약적이거나 용매 처리 설비가 필요합니다. 핀 밀 공정은 건식, 연속식, 단일 단계 공정으로, 응집물 제거 및 분리가 가능하며, 공기 분류를 통해 최종 품질 검사를 수행합니다.
3. 합성 흑연 - 표면 특성 조정을 통한 탈응집
리튬 배터리 양극에 사용되는 합성 흑연은 석유 코크스 또는 피치 코크스 전구체를 고온에서 흑연화시켜 생산됩니다. 이 공정에서는 응집된 흑연 입자가 생성되는데, 전극 슬러리 제조 전에 이를 분쇄해야 합니다. 다른 두 가지 응용 분야와 달리, 핀 밀을 이용한 흑연 탈응집 공정은 주요 재료 특성을 제어되고 유용한 방식으로 변화시키는 효과도 있습니다.
핀 밀이 흑연 입자에 가하는 기계적 작용은 세 가지를 동시에 수행합니다. 첫째, 입자 간 응집체를 파괴합니다. 둘째, 새로 파쇄된 흑연 표면의 날카로운 모서리를 둥글게 다듬어 매끄럽게 합니다(입자 유동성 향상 및 날카로운 모서리로 인한 전극 결함 감소). 셋째, 새로운 흑연 표면과 모서리면을 노출시켜 비표면적을 약간 증가시킵니다. 이러한 비표면적 증가는 측정 및 제어가 가능하며, 핀 속도와 체류 시간을 조절하여 미세하게 조정할 수 있습니다. 또한, 이는 흑연의 오일 흡수율에 직접적인 영향을 미치며, 결과적으로 전극 조성물에 필요한 바인더의 양에 영향을 줍니다.
특정 바인더 시스템과 전극 밀도 목표에 맞춰 배합을 최적화하는 전극 엔지니어에게 있어 흑연 공급업체로부터 제어된 오일 흡수 값을 확보하는 것은 실질적인 이점입니다. 이는 생산 배치 간 흑연 표면 특성 변화로 인한 배합 변동성을 줄여줍니다.
생산 결과
사례 연구 1
LFP 음극 회수 - 알루미늄 오염도를 800ppm 이상에서 300ppm 미만으로 감소
상황
수명이 다한 LFP 양극 전극 시트를 처리하는 배터리 소재 재활용 공정에서 LFP 분말을 회수했지만, 제품에서 알루미늄 오염도가 800~1,200ppm으로 지속적으로 측정되었습니다. 이는 재활용 활성 물질로 판매하여 새 배터리 셀에 재사용할 수 있도록 허용하는 기준치인 300ppm을 훨씬 초과하는 수치입니다. 기존 공정에서는 해머 밀을 사용하여 전극 시트를 파쇄했는데, 이 과정에서 알루미늄 호일이 미세한 입자로 부서져 LFP 분말과 함께 분류되어 후속 공정에서 분리되지 않았습니다.
해결책
EPIC Powder Machinery는 해머 밀을 알루미늄 표면의 LFP(액상 폴리프로필렌)의 취성-연성 탈응집 범위에 맞춰 핀 끝 속도를 조절한 역회전 핀 밀로 교체했습니다. 핀 속도는 알루미늄 호일 표면에서 LFP 코팅을 분리할 만큼 충분히 빠르면서도 연성 알루미늄 호일이 파손되지 않고 충격 에너지를 흡수할 만큼 충분히 느리게 설정했습니다. 하류에 설치된 동적 공기 분류기는 미세한 LFP 제품(D50 약 10미크론)과 조대한 알루미늄 플레이크를 분리했습니다.
결과
• LFP 제품의 알루미늄 오염: 800~1,200ppm에서 280ppm 미만으로 지속적으로 감소하여 재판매 규격 기준을 충족합니다.
• LFP D50: 10.2 마이크론, 좁은 분포 - 새로운 전극 조성에 재사용 가능
• 알루미늄 호일: 별도의 흐름에서 큰 조각 형태의 물질로 회수되며, 표준 고철 가격으로 알루미늄 재활용에 적합합니다.
공정 모드: 연속식 — 배치 공정 없음, 용매 취급 없음, 열처리 불필요
사례 연구 2
구형 다공성 탄소 - 표면적 손실 없는 탈응집
상황
슈퍼커패시터용 다공성 탄소 구체를 제조하는 업체에서 유동층 제트 밀을 이용하여 합성 생성물의 응집을 해소하고 있었습니다. 목표 입자 크기 분포(Dn50 6-8 마이크론, Dn100 20 마이크론 미만)는 달성 가능했지만, 제트 밀 처리된 생성물의 BET 표면적 측정 결과, 전처리 기준 물질보다 표면적이 12-16%만큼 지속적으로 감소하는 것으로 나타났습니다. 표면적 감소는 최종 슈퍼커패시터 전극의 정전 용량 감소로 직접 이어졌으며, 이는 응집 해소 공정이 제품의 핵심 성능 특성을 저하시키고 있음을 시사합니다.
해결책
EPIC Powder Machinery는 목표 입자 크기(PSD)에 맞춰 구성된 공기 분류기가 통합된 역회전 핀 밀을 공급했습니다. 당사 연구 개발 시설에서 진행된 시험을 통해 핀 속도와 이송 속도를 최적화하여 BET 표면적 손실을 3% 미만으로 유지하면서 목표 입자 크기를 달성했습니다.
결과
- 입자 크기: Dv10 2.7 마이크론, Dn50 7.1 마이크론, Dn100 18 마이크론 - 규격 범위 내
- BET 표면적 손실: 1.8%는 분쇄 전 기준치와 비교한 값이며, 이전 제트 밀 공정에서는 12-16%였습니다.
- 전극 정전 용량: 반쪽 전지 테스트에서 분쇄 전 기준 물질의 2% 이내로 회복되었습니다.
에너지 소비량: 기존 제트 밀 공정보다 에너지 소모가 적습니다. 탈응집에 필요한 에너지가 입자 파쇄에 필요한 에너지보다 적고, 핀 밀은 압축 가스를 소모하지 않습니다.
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자주 묻는 질문
동일한 핀 밀이 다공성 탄소, LFP 재활용 및 흑연의 세 가지 재료를 모두 처리할 수 있습니까?
세 가지 재료 모두 동일한 기본 기계 설계로 처리되지만, 각 재료에 따라 구성 설정이 다릅니다. 주요 변수는 핀 팁 속도입니다. 다공성 탄소는 기공 구조 손상을 방지하기 위해 가장 낮은 속도가 필요합니다. LFP 재활용에는 LFP와 알루미늄의 취성-연성 임계점에 맞춰 조정된 중간 속도가 필요합니다. 합성 흑연은 탈응집과 함께 약간의 표면 개질이 목적이므로 더 높은 속도를 허용합니다. 공급 속도와 분류 휠 속도 또한 재료에 따라 다릅니다. 실제로 한 라인에서 세 가지 재료를 모두 처리하는 생산자는 각 재료에 대해 검증된 별도의 공정 레시피를 사용하고, 교차 오염을 방지하기 위해 재료 전환 시 플러시 배치를 포함하는 문서화된 전환 절차를 마련해야 합니다. 재료를 연속적으로 처리하는 대량 생산 작업의 경우, 재료별로 전용 핀 밀을 사용하는 것이 더 실용적인 구성입니다.
재활용 LFP가 신규 전지 생산에 사용 가능하려면 알루미늄 오염 한계치는 얼마여야 하며, 그 이유는 무엇입니까?
일반적으로 배터리 등급 재활용 LFP의 알루미늄 함량 기준치는 질량 기준으로 300ppm 미만입니다. 그러나 일부 셀 제조업체는 고급 용도에 대해 100~200ppm이라는 더 엄격한 기준을 적용합니다. 이는 전기화학적 측면에서 우려되는 부분입니다. 미세한 알루미늄 입자에서 용해된 알루미늄 이온이 충전 중 양극에 침착되어 용량 감소를 유발하고, 단락 위험을 초래하는 금속 알루미늄 덴드라이트를 생성할 수 있습니다. 또한, 입자 수준에서 전극에 용해되지 않은 알루미늄 입자는 국부적인 임피던스 변화를 일으켜 속도 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 300ppm 기준치는 절대적인 안전 기준은 아닙니다. 핀 밀과 공기 분류기를 사용하면 열처리나 용매 처리 없이도 이 기준치를 충족할 수 있습니다.
에픽 파우더
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— 제이슨 왕, 엔지니어
