그 동안 연구실 직원이 원재료의 샘플을 채취해 입도 분석하였고, 결과를 보고 생산라인의 가동 및 진행 여부를 판단했다. 그러는 동안 많은 양의 제품이 생산되었다. 이때 입도 범위가 관리 범위를 벗어나면 불량품이 될 수 있다. 이러한 과정을 자동화하였고, 본고에서는 입도 품질을 관리하는 자동화 시스템을 소개한다.

먼저, 입자 크기에 따른 특성 차이를 알아본다.
•작은 입자의 장단점 : 장점은 비표면적(입자 표면적 대비 부피)이 커서 리튬이온 확산이 빠르고, 빠른 반응을 유도한다. 단점은 충방전 중 입자가 쉽게 깨져 수명이 짧아질 수 있고, 반응성과 열 발생이 증가하여 불안정해질 수 있다. 또 작은 입자는 응집력이 커져 내부 저항이 증가하고, 배터리 용량에 부정적 영향을 줄 수 있다.
•큰 입자의 장단점 : 장점은 입자가 깨지기 어렵고, 전해질과의 부작용이 적어 수명이 길어진다. 또 상대적으로 에너지 밀도가 높다. 단점은 충전 시 시간이 오래 걸릴 수 있다는 것.

다음은 Graphite 구형도와 배터리 성능 관계에 대해 알아본다.
•구형도가 좋을 때 : 파우더를 더 촘촘하게 충진할 수 있어 탭 밀도가 높아지고, 배터리의 에너지 밀도 및 수명이 증가한다.
•구형도가 나쁠 때 : 플레이킹 현상이 발생해 패킹이 느슨해지며, 에너지 밀도가 낮아진다.

1. 24시간 연속 분쇄 공정을
실시간으로 입도 분석 모니터링

원하는 사이즈에 도달하면 분쇄 공정을 정지시킨 후 관리자에게 알리기 위해 부저를 울리거나, 경광등을 켜 분쇄 공정이 완료되었음을 공지한다. 즉 분쇄 공정 자동화를 적극 실현하고, 전 공정은 PLC 통신을 통하고, 룸에서 보고 관리가 가능하다. 이로 인해 입도 관리가 완벽히 이루어진다. 획기적인 것은 온라인 입도 분석기 1대로 분쇄기(볼밀, 바스켓밀, ACM 등) 1~4대까지 커버한다. 멀티 포인트 측정 기능이 있어 상당한 비용 절감 효과가 있다. 또한, 분쇄하는 재료의 습식 상태(물, 에탄올 등 솔벤트)나 건식 분말 상태에서 입도 분석을 실현한다. 그리고 레이저 입도 분석기 원리(회절 및 산란)를 이용하므로 기존 측정 관리되는 레이저 입도 분석기와 데이터가 호환된다.

이젠 분쇄 및 입도 분석 공정 자동화로 검토해 보자. 그 동안은 아래 그림처럼 수동으로 했다. 랩에서 입도 측정하기 위해, 2차전지 재료(양극재, 음극재 등) 생산라인에서 샘플을 10분 간격으로 샘플링해 입도 분석 결과를 보고 분쇄 공정을 계속할지 여부를 판단하기에는 너무 많은 소비가 필요하다. 샘플을 채취하고 입도 분석하는 동안에도 분쇄는 계속되고 있다. Over size 분쇄로 인해 시간 소비, 전력 추가 소비, 인력 투입 증가, 생산량 감소, 불량품 생산에 따른 막대한 손실을 해결할 수 있으며, 생산 효율 극대화를 위해 시스템화한다.
•건식 기기 입도 분석 범위 :  0.1~1000um,     
•습식 기기 입도 분석 범위 : 0.02 ~2000um

2. 건식으로 측정하는 생산라인
BT-Online1은 최대 4개의 공정 라인을 동시에 모니터링할 수 있어 작업이 간편해지고 투자가 절감된다. BT-Online1은 플랜트의 DCS 또는 PLC 시스템과 협력할 수 있다. 사용 가능한 통신 프로토콜은 Modbus TCP/IP, Modbus RTU 및 15-20Ma이다.

3. 습식으로 측정하는 생산라인

설계를 통해 실린더가 아래쪽으로 이동할 때 효과적인 시료 추출이 가능하다. 시스템을 청소해야 할 경우 복동 실린더가 위쪽으로 이동하고, 폐기물을 배출하여 교차 오염을 방지한다. 또 샘플링 시스템의 작동은 가스 공급에만 의존한다. 따라서, 폭발 방지가 필요한 곳에는 공압식 샘플링 시스템을 사용하는 것이 좋다.

1) 외부 희석 시스템 
대부분의 경우 샘플의 고형분 함량이 상당히 높기 때문에 샘플을 BT-Online2에 도입할 때 불명확도가 높아진다. 따라서, 정확한 측정을 위해서는 외부 희석 시스템이 필요하다. 외부 희석 시스템에는 4개의 공정 라인에 해당하는 4개의 입구 포트와 초기 희석 샘플을 위한 1개의 출구 포트가 있다.
•Step 1 : 측정 전 준비는 내부 희석 시스템을 갖춘 BT-Online2에서 구현되고, 외부 희석 시스템 및 L1에 대한 세척이 수행된다. L1의 첫 번째 백플러싱은 마지막 측정에서 발생할 수 있는 잔류물을 제거한다. 공정 라인에서 시료를 추출할 때 L1에 소량의 고농도 잔류물이 존재하며, 외부 희석 시스템으로 천천히 낙하하여 농도가 불안정해진다. 따라서, 두 번째 L1 백플러싱의 목적은 샘플을 배지와 잔류물에 고르게 분산시킨다.
•Step 2 : 초기 희석 샘플은 BT-Online2에 도입되고, 시료가 완전히 분산되도록 분산제를 동시에 첨가한다.
•Step 3 : L2 백플러싱을 실시하는데, 그 이유는 1단계의 2차 L1 백플러싱과 동일하다. 이후 시료를 측정하고, 외부 희석 시스템에 대한 세척도 수행한다.
•Step 4 : 내부 희석 시스템의 청소가 수행된다. 4단계에서는 외부 희석 시스템이 깨끗해졌다. 이는 순환 탱크에 깨끗한 물이 담겨 있다는 의미다. 따라서, L2 샘플링을 실시하면 깨끗한 물이 내부 희석 시스템의 순환 탱크로 유입되어 L2가 청소된다. 마지막으로, L1 백플러시를 통해 L1이 정리된다.
- 원료 : 2차전지 재료 실리콘
- 분쇄 장비 : ELE 바스켓밀
- 측정 기기 : 온라인 입도 분석기(BT-Online)
- 측정 시간 : 10분 간격으로 측정 
D50 값이 점점 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 그래프를 보면 Red–purple color 사이즈가 줄고 있음을 알 수 있다

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