실무에서는 배터리 활물질을 혼합할 때 금속 마모를 크게 줄일 수 있지만, 단일 조치로 완전히 배제할 수는 없습니다. 현실적인 방법은 발생원에서부터 유입을 최소화하고, 임계 입자를 가능한 한 조기에 분리하며, 공정을 분석적으로 모니터링하는 종합적인 순도 콘셉트입니다. 다만 모든 양극재에 대한 획일적인 ppb 한계값은 신뢰할 수 없습니다. 허용 잔류량, 임계 원소, 입자 크기, 측정 방법은 셀 화학 구성, 셀 제조사의 사양, 공정 단계, 그리고 각각의 품질 협약에 따라 달라지기 때문입니다. 양극 활물질의 경우 특히 중요한 금속성 불순물인 크롬, 철, 구리, 아연, 납은 관련 품질 표준과 분석 응용에서 흔히 1mg/kg 미만, 즉 1ppm 미만의 목표값으로 다루어집니다.

금속성 이물 입자는 리튬이온 셀에 치명적일 수 있습니다. 국소적인 결함, 자가 방전 증가, 원치 않는 부반응, 최악의 경우 내부 단락을 유발할 수 있기 때문입니다. 특히 문제가 되는 것은 개별적으로 크거나 날카로운 모서리를 가진 금속 입자입니다. 분리막을 손상시키거나 국소 전류 밀도를 높일 수 있기 때문입니다. 따라서 기술적 평가는 ppm 단위의 화학적 총 금속 함량에만 국한되어서는 안 됩니다. 추가로 금속 입자의 개수, 크기, 형태, 자성 특성, 공간적 분포도 고려해야 합니다. 한 산업 전문 자료에서는 5µm 이상의 금속 입자를 이미 임계로 분류하고 있으며, 다른 공정 사슬에서는 제품별로 다른 크기 및 허용 한계를 적용합니다.

금속 오염의 원인은 전체 공정 사슬에 걸쳐 존재합니다. 이는 원료에서 비롯되거나, 분쇄·분급·혼합·이송 부품의 마모에서 발생하거나, 주변 환경, 유지 보수 작업, 사람의 개입을 통해 유입될 수 있습니다. 특히 혼합 및 분쇄 과정에서는 금속 공구, 용기 벽면, 또는 마모되는 실링 및 이송 부품과의 직접적인 제품 접촉이 금속 입자를 발생시킬 수 있습니다. 최근의 한 개관 논문은 혼합 및 분쇄 공정에서의 금속 부품 마모를 유입원으로 명시하고 있으며, 혼합·분쇄 설비의 보호 코팅, 자기 분리기 또는 체, 그리고 엄격한 사업장 청결 절차를 권장하고 있습니다.

따라서 가장 첫 번째이자 가장 효과적인 조치는 제품과 접촉하는 모든 부품의 마모 최소화 설계입니다. 제품 영역에서의 직접적인 금속 대 금속 접촉은 피해야 합니다. 혼합 공구, 용기 벽면, 배출 기구, 이송 곡관, 플랩, 실링 영역, 인계 지점은 단단한 입자가 임계적인 모서리에서 갈리거나, 부딪히거나, 반복적으로 충돌하지 않도록 설계되어야 합니다. 재료 시스템에 따라 특정 접촉면에는 기술 세라믹, 적절한 코팅, 또는 고성능 폴리머가 유용할 수 있습니다. 다만 구체적인 재질 선택은 화학적 적합성, 활물질의 연마성, 정전기 특성, 세정성, 열적 부하, 그리고 해당 라이닝 재질의 입자 방출 가능성에 대해 검토해야 합니다. 비금속 재료라고 해서 자동으로 적합한 것은 아닙니다. 그 자체가 마모, 박리, 또는 원치 않는 유기물 오염을 일으킬 수 있기 때문입니다.

두 번째 중요한 지렛대는 공정 운영입니다. 낮지만 충분히 유효한 공구 및 이송 속도는 충돌 에너지를 줄여 침식성 마모를 줄입니다. 급격한 방향 전환, 좁은 곡관, 통제되지 않은 낙하 높이, 데드존, 반복적인 재순환은 피해야 합니다. 공압 이송의 경우 공기 속도뿐만 아니라 고체 부하율, 배관 경로, 곡관 반경, 입자 경도, 압력 수준, 시작-정지 운전도 중요합니다. 혼합 시에는 요구되는 균질도를 가능한 한 낮은 기계적 부하로 달성할 수 있도록 회전 속도를 선택해야 합니다. 불필요하게 길거나 지나치게 강한 혼합은 제품 품질을 더 이상 개선하지 못하면서 마모만 증가시킬 수 있습니다.

자기 분리는 유용한 추가 보호 단계이지만, 마모가 적은 설계를 대체하지는 않습니다. 자기 분리는 철이나 특정 페라이트계 강철 성분과 같은 자화 가능한 이물 입자를 포집할 수 있지만, 알루미늄, 구리, 아연과 같은 비자성 금속에는 신뢰성 있게 작용하지 않습니다. 따라서 까다로운 공정 사슬에서는 여러 조치를 조합합니다: 적절한 인계 지점에서의 자기 분리기, 굵은 입자용 체 또는 필터 단계, 통제된 원료 승인, 임계 공정 단계 이전의 분리, 그리고 물자 이송의 적절한 설계입니다. 비자성 입자는 우선적으로 유입 방지, 적절한 여과 또는 체 거르기, 분석적 모니터링을 통해 제어해야 합니다. 전문 문헌에 따르면 비자성 이물 입자는 특히 혼합, 운송, 슬러리 저장 중에 유입될 수 있으며 제거하기가 더 어렵습니다.

효과적인 콘셉트에는 체계적인 유지 보수 및 청결 전략도 필요합니다. 마모에 취약한 부품은 가동 시간, 토크, 진동, 차압, 제품 분석, 육안 점검을 통해 모니터링해야 합니다. 혼합기뿐만 아니라 투입, 계량, 체 거르기, 이송관, 필터, 밸브, 유지 보수 공구, 주변 공기도 오염 평가에 포함되어야 합니다. 마모된 부품의 예방적 교체는 이미 오염된 물질을 나중에 정화하는 것보다 훨씬 더 효과적입니다. 금속 입자는 개방된 개입, 유지 보수, 또는 생산 환경을 통해서도 시스템에 유입될 수 있으므로, 밀폐형 이송, 정의된 세정 구역, 공구 관리, 적절한 보호복, 통제된 물자 경로가 콘셉트의 중요한 구성 요소입니다.

검증에는 여러 분석 단계를 결합해야 합니다. ICP-OES와 ICP-MS는 원소별 총 함량을 파악하며 ppm에서 미량 범위까지의 금속을 정량화할 수 있습니다. ICP-MS는 특히 낮은 검출 한계를 제공합니다. 양극재의 임계 원소 분석에는 두 방법 모두 사용되며, 표준에서는 흔히 ICP-OES를 규정하고 Cr, Fe, Cu, Zn, Pb와 같은 관련 오염 물질에 대해 1mg/kg 미만 범위의 한계값을 명시합니다. 보완적으로 자기 분리 테스트, 현미경 입자 분석, REM/EDX가 개별 입자의 크기, 형태, 화학적 조성을 확인하는 데 유용합니다. 특히 공정에 기인한 마모를 평가하기 위해서는 이러한 입자 분석이 필수적입니다. 낮은 총 금속 값이 개별적인 안전 임계 굵은 입자를 가릴 수 있기 때문입니다.

신뢰할 수 있는 실무 전략은 오염 위험 분석에서 시작됩니다. 먼저 셀 제조사의 사양에서 임계 원소와 입자 크기를 도출합니다. 그런 다음 공정 사슬 전반의 모든 잠재적 유입원을 파악하고, 발생 가능성, 유입량, 검출 가능성 측면에서 평가합니다. 이를 바탕으로 재질 및 구조 선택, 허용 공정 창의 정의, 자석과 체의 배치, 그리고 원료, 중간 제품, 최종 제품 분석을 포함한 점검 계획이 뒤따릅니다. 이어서 대표성 있는 활물질을 이용하여, 정해진 운전 시간 이후, 세척 후, 유지 보수 후에도 설비가 합의된 한계값을 준수함을 입증해야 합니다.