DOI QR코드

DOI QR Code

Thermo-Chemical Analysis of a Calcination Furnace to Produce Cathode Material for the Secondary Batteries

이차전지 양극활물질 제조용 소성로의 열화학적 해석

  • 황민영 (부산대학교 대학원 기계공학부) ;
  • 김용균 (부산대학교 대학원 기계공학부) ;
  • 전충환 (부산대학교 대학원 기계공학부) ;
  • 송주헌 (부산대학교 대학원 기계공학부) ;
  • 김용태 (부산대학교 대학원 기계공학부) ;
  • 장윤한 ((주)엘엔에프)
  • Published : 2009.05.30

Abstract

Lithium secondary batteries have been widely used in the portable electric devices as power source. Recently it is expected that the realm of its applications expands to the markets such as energy storage medium of hybrid electric vehicle(HEV), electric vehicle(EV). Cathode active material is crucial in terms of performance, durability, capacity of lithium secondary batteries. It is urgent to develope the technology for mass production of cathode material to cope with the markets' demands in the near future. In this study, a calcination furnace running in real production line is modelled in 3D, and the thermal flow and gas flow after chemical reaction in the furnace is analyzed through numerical computations. Based on the results, it is shown that large volume of $CO_2$ gas is generated from chemical reaction. High concentration of $CO_2$ gas and it's stagnation is clearly found from the reactant containers in which the reaction occur to the bottom area of the furnace. It is also studied that 15% or more $CO_2$ mol fraction could affect to proper formation of $LiCoO_2$ through TGA-DSC analysis. The solutions to evacuate carbon dioxide from the furnace are suggested through the change of furnace design and operating condition as well.

리튬 2차전지는 휴대용 전자기기의 전원으로 사용되어 왔다. 최근 하이브리드 자동차, 전기자동차의 에너지 저장매체로써 적용으로 인해 시장 확대가 기대되고 있다. 양극 활물질은 리튬2차전지의 성능, 수명, 용량을 결정하는 물질이며, 급증하는 시장의 수요에 따라 양극 활물질을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발하는 것이 시급하다. 본 연구에서 실제 양극 활물질($LiCoO_2$) 생산라인에서 가동 중인 소성로를 3D 모델링하였고, 수치적 해석을 통해 소성로 내부의 온도와 유동의 방향, 화학적 거동을 밝혀내었다. 결과로써, 생산량 증가로 인해 소성로에서 생성되는 $CO_2$ 농도가 증가하며 정체되는 지점을 확인하였고, TGA-DSC 실험을 통해 $CO_2$가 몰분율 15%이상에선 $LiCoO_2$의 적절한 형성에 영향을 주는 현상을 확인하였다. 또한 소성로의 형상변화와 공정조건의 변화를 통해 문제되는 $CO_2$를 원활히 배출할 수 있는 해결책을 제안하였다.

Keywords

References

  1. 한국전지연구조합, '국내리튬이차전지 생산 및 수출규모'
  2. 정용찬, '리튬이차전지에서의 양극물질로서 LiCo1-xMnx$O_{2}$의 특성에 관한 연구' 서울대학교 대학원, 공학석사학위 논문, 1-2 (2002)
  3. E. Antolini, 'LiCo$O_{2}$:formation,structure, lithium and oxygen nonstoichiometry, electrochemical behavior and transport properties'. Solid state ionics 170 (2004) https://doi.org/10.1016/j.ssi.2004.04.003
  4. E. Plichta, M. Salomon, S. Slane, M. UchiyamaD, Chua, W. B. Ebnerb, and H. W. Lin 'A rechargeable Li/LixCo$O_{2}$ cell', J. power Sources, Vol. 21, 25-31 (1987) https://doi.org/10.1016/0378-7753(87)80074-5
  5. C. Wolverton and Alex Zunger, 'Prediction of Li intercalation and Battery Voltages in Layered vs. Cubic LixCo$O_{2}$', J. Electrochem. Soc., 145, 2424-2431 (1994) https://doi.org/10.1149/1.1838653
  6. P. G. Bruce and M. Y. Saidi, 'A two-step model of intercalation', Solid State Ionics, 51, 187-190 (1992) https://doi.org/10.1016/0167-2738(92)90198-X
  7. Y. Shao-Horn, S. A. Hackney, A. J. Kahaian, and M. M. Thackeray, 'Structure Stability of LiCo$O_{2}$ at 400${^{\circ}C}$', J. Solid state Chem., 168, 60-68 (2002) https://doi.org/10.1006/jssc.2002.9679
  8. Y. Shao-Horn and S. A. Hackney, 'Structure Features of Low-Temperature LiCo$O_{2}$ and Acid-Delithiated Products', J. Solid state Chem., 140, 116-127 (1998) https://doi.org/10.1006/jssc.1998.7873
  9. K. Kushida and K. Kuriyama, 'Narrowing of the Co-3d band related to the order-disorder phase transition LiCo$O_{2}$', Solid state Communications, 123, 349-352 (2002) https://doi.org/10.1016/S0038-1098(02)00325-3
  10. E. I. Santiago, A. V. C Andrade, C. O. Paiva-Santos, and L. O. S. Bulhoes, 'Structure and electrochemical properties of LiCo$O_{2}$ prepared by combustion synthesis', Solid state Ionics, 158, 91-102 (2003) https://doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00765-8
  11. C. -H. Han, Y. -S. Hong, C. M. Park, and K. Kim, J. Power Sources 92, 95 (2001) https://doi.org/10.1016/S0378-7753(00)00505-X
  12. A. Lundblad and B. Bergman, 'Synthesis of LiCo$O_{2}$ starting from carbonate precusors 1. The reaction mechanisms', Solid state Ionics 96, 173-181 (1997) https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00016-7
  13. A. Lundblad, B. Bergman, 'Synthesis of LiCo$O_{2}$ starting from carbonate precusors 2. Influence of calcination conditions and leaching', Solidstate Ionics 96, 183-193 (1997) https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00017-9
  14. 황성주, '리튬 2차전지용 양극 활물질 LiCo$O_{2}$의 온도와 산소분압에 따른 상전이 거동' 경북대학교 대학원, 공학석사학위논문, 18-32 (2004)