리튬 배터리 실험실의 연구개발에는 전극 준비부터 배터리 조립 및 성능 시험까지, 공정을 지원하는 일련의 특수 장비가 필요합니다. 이러한 장비의 정확도와 안정성은 연구 데이터의 신뢰성을 직접적으로 결정합니다. 본 논문에서는 실험실에서 일반적으로 사용되는 리튬 배터리 장비에 초점을 맞추고 그 기능과 응용 논리를 분석합니다.
I. 전극 제조를 위한 핵심 장비
전극 제조를 위한 초기 장비로서, 이 장비의 핵심 기능은 활물질, 도전제, 바인더 및 용매의 균일한 분산을 달성하는 것입니다. 일반적으로 사용되는 실험실용 모델은 유효 용량이 0.2~3L이고, 50~500rpm의 무단 속도 조절을 지원하며, 진공도는 ≤ -0.095MPa입니다. 이를 통해 슬러리 내 기포 잔류를 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 삼원계 양극 슬러리 제조 시, 이 장비는 상온에서 -80℃까지의 온도를 정밀하게 제어하여 엔엠피 용매의 급격한 증발을 방지하고, 슬러리 점도의 안정성을 보장하며, 후속 코팅의 기초를 마련합니다.
2. 소형 스카우링 나이프 코팅기
그만큼코팅기 혼합된 슬러리를 집전체(알루미늄 호일/구리 호일)에 균일하게 코팅해야 합니다. 실험실 모델은 대부분 연마 나이프를 사용하여 두께를 조정하며, 정확도는 ±5μm입니다. 이 장비는 1~50mm/s의 조정 가능한 코팅 속도를 지원하여 다양한 점도의 슬러리에 적합합니다. 예를 들어, 실리콘 기반 음극 슬러리를 코팅할 경우, 높은 점도로 인한 슬러리의 줄무늬 현상을 방지하고 전극 시트 두께의 균일성을 유지하기 위해 코팅 속도를 5~10mm/s로 줄여야 합니다.
3. 진공 건조 오븐 및 롤러 프레스
코팅된 전극 시트는 건조 오븐에서 진공 건조를 통해 용매를 제거해야 합니다. 실험실 장비는 온도 제어 정확도가 ±1℃이고 진공도는 ≤ -0.098 MPa입니다. 전극 시트의 균열을 방지하기 위해 단계적인 온도 상승 프로그램(예: 60℃/2시간 → 80℃/4시간)을 설정할 수 있습니다. 건조된 전극 시트는 롤러 프레스로 압착해야 합니다. 실험실용 소형 롤러 프레스의 압력은 0~50 kN 범위 내에서 조절 가능하며, 롤러 직경은 대부분 80~120 mm입니다. 압력을 조절함으로써(예: 양극은 20~30 kN, 음극은 15~20 kN) 전극 시트의 밀도를 조절하여 배터리 용량 및 사이클 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
2세. 배터리 조립 및 밀봉 장비
1. 글러브 박스(불활성 가스 보호)
원통형 및 파우치형 전지 조립 시, 글러브 박스는 건조하고 산소가 없는 환경(수분-산소 함량 ≤ 1ppm)을 제공하여 전극과 전해질이 공기와 접촉하는 것을 방지합니다. 실험실에서는 일반적으로 가스 정화 시스템과 진공 이송 챔버가 장착된 이중 스테이션 글러브 박스를 사용하여 전극 시트 절단, 권취(또는 적층), 전해질 적하 등의 작업을 수행합니다. 예를 들어, 고체 전지 조립 시에는 고체 전해질이 습기를 흡수하여 효율을 잃는 것을 방지하기 위해 전체 공정을 글러브 박스 내에서 수행해야 합니다.
2. 원통형 배터리용 밀봉기
CR2032와 같은 일반적인 원통형 배터리의 경우, 실험실용 밀봉 장비는 유압식 또는 수동식 가압 방식을 사용하며, 밀봉 압력은 조절 가능합니다(일반적으로 0.5~2MPa). 이 장비는 전해액 누출을 방지하고 과도한 압력으로 인해 배터리 케이스가 변형되어 후속 시험에 영향을 미치지 않도록 밀봉 성능을 보장해야 합니다.
3세. 성능 시험을 위한 주요 장비
1. 배터리 테스터(충전 및 방전 테스트 시스템)
이 핵심 장비는 배터리 용량, 사이클 수명, 속도 성능 등의 매개변수를 시험하는 데 사용됩니다. 실험실 모델은 일반적으로 8~32개의 채널을 갖추고 있으며, 전류 범위는 0.001~10A, 전압 정확도는 ±0.1mV입니다. 시험 중에는 다양한 연구 요구에 따라 정전류 정전압 충전(참조-이력서) 및 단계적 충전/방전과 같은 다양한 충전 및 방전 방식을 설정할 수 있습니다. 예를 들어, 배터리 사이클 성능을 시험할 때는 1C 충전/방전 속도를 사용하는 경우가 많으며, 500회 사이클 후 용량 유지율을 기록합니다.
2. 전기화학 워크스테이션
이 장비는 주로 교류 임피던스(EIS) 및 순환 전압 전류법(이력서)과 같은 전기화학적 분석에 사용되어 배터리의 전하 이동 저항 및 리튬 이온 확산 계수와 같은 미시적 특성을 분석합니다. 실험실에서는 일반적으로 10μHz~1MHz의 주파수 범위와 1pA의 전류 분해능을 갖춘 워크스테이션을 사용합니다. 이러한 워크스테이션에는 특수 고정 장치를 장착하여 원통형 및 파우치형 배터리의 현장 시험을 수행하여 배터리 성능 저하 메커니즘 분석에 필요한 데이터를 제공합니다.
4.. 장비 협업 및 연구 가치
실험실의 리튬 배터리 장비는 "준비 - 조립 - 테스트"의 으아아아 폐쇄 루프를 형성해야 합니다. 예를 들어, 슬러리 혼합기와 코팅기를 통해 전극 시트의 품질을 제어하고, 글러브 박스에서 조립한 후 테스터와 워크스테이션을 통해 성능을 검증합니다. 그리고 테스트 결과를 바탕으로 장비 매개변수(예: 혼합 시간 및 코팅 두께 조정)를 역으로 최적화합니다. 이러한 장비 시스템은 소규모 실험의 반복성을 보장할 뿐만 아니라, 새로운 소재(예: 새로운 양극 소재, 고체 전해질)의 적용 가능성을 신속하게 검증하여 리튬 배터리 기술의 반복적 발전에 핵심적인 지원을 제공합니다.
