리튬 이온 배터리, 알칼리 배터리, 납산 배터리, 연료 전지, MOF 또는 기타 에너지 저장 소자를 사용하는 경우, 성능 및 안전 고려 사항을 위해 규명해야 하는 중요한 구성 요소 특성이 있습니다.

입자 시험 기관은 전극, 전해질, 분리막/바인더뿐만 아니라 제조 후 다양한 구성 요소가 상호 작용하고 작동하는 방식에 대한 분석을 지원하는 기기 및 전문 지식을 갖추고 있습니다.

전극 분석

양극 및 음극재 개발은 배터리 수명 및 충전 사이클링 향상을 위한 열/화학적 안정성뿐만 아니라 전력 및 에너지 밀도의 향상을 기반으로 합니다.

 

배터리의 이론적 용량은 사용된 재료에 따라 결정됩니다. 전극 공정에서 입자의 크기, 형상, 분말 밀도, 기공률 및 표면적을 포함한 입자 형태에 대한 지식은 제조 가능성과 원하는 전극 성능 특성에 중요한 영향을 미칩니다.

표면적

전극의 표면적을 증가시키면 전기화학적 반응의 효율이 향상되고 전극과 전해질 사이의 이온 교환이 촉진됩니다. 특히 음극 내에서 표면적이 클수록 흑연 입자 사이의 리튬 이온 확산 경로가 짧아지기 때문에 더욱 그렇습니다. 표면적이 작은 소재는 전지의 사이클링 성능을 향상시켜 배터리 수명을 연장합니다.

표면적이 큰 경우 표면에서 전해질의 열화 상호작용과 그에 따른 용량 손실과 열 안정성으로 인해 몇 가지 제약이 있습니다. 나노 입자는 용량 손실 없이 표면적을 증가시킬 가능성이 높습니다. 이를 통해 빠른 충전과 보다 효율적인 방전율이 가능하고 배터리 용량이 향상됩니다.

기공 크기, 형상, 분포 및 굴곡도

전극 기공의 크기, 형상 및 굴곡도는 이 다공성 구조 내에 유지되는 전해질을 통한 리튬 이온의 이동 속도에 상당한 영향을 미칩니다. 제조 공정에서 발생하는 전극 미세 구조는 리튬 이온 전지의 에너지 밀도, 전력, 수명 및 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

제조 공정 중에 생성될 수 있는 인접한 기공, 폐쇄형 기공 및 채널의 상호 연결성을 더 잘 파악하면 최적의 전해질-전극 상호작용을 보장할 수 있습니다. 다공성 전극과 전해질 계면의 굴곡도를 알면 전지 성능의 제약이 미세 구조로 인한 것인지 여부를 판단할 수 있습니다.

기공률 측정

전극의 다공성 구조는 활물질과 전도성 희석제 사이의 입자간 접촉에 직접적인 영향을 미칩니다. 기공률을 제어하면 전극 내 전도성을 높일 수 있어 (예를 들어) 양극의 삽입(intercalation)을 위한 리튬 이온의 전해질 접근/이동에 필요한 충분한 빈 공간뿐만 아니라 적절한 전자 교환을 보장할 수 있습니다. 삽입 중 기공 차단/막힘은 용량 감소를 초래할 수 있습니다.

밀도

흑연 음극의 밀도는 까다로운 부하 및 방전 작업 시 열화에 견디는 능력에 영향을 미칩니다. 음극의 전극 입자 밀도가 높을수록 다공성이 감소하여 전극의 활성 표면적이 작아집니다. 이로 인해 전극/전해질 접촉 면적이 감소합니다.

진/절대 밀도 및 엔벨로프 밀도는 삽입에 사용 가능한 전극 기공률과 관련된 전기화학적 성능을 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다. 비가역적 용량과 내부 기공 부피 사이의 명확한 상관 관계가 발견되었습니다.

T.A.P. 밀도는 체적 에너지 밀도의 중요한 지표입니다. 낮은 T.A.P. 밀도는 낮은 체적 에너지 밀도로 해석되며, 반대의 경우는 높은 체적 밀도를 나타냅니다. T.A.P 밀도가 높으면 더 밀도가 높은 전극 코팅용 전극 필름(단위 부피당 활성이 더 높은 물질)을 만들 수 있습니다.

입도/형상

입도는 용량, 사이클링 및 쿨롱 효율에 영향을 미칩니다. 입도는 전극에 삽입되는 리튬 이온의 고체 상태 확산량에 영향을 미칩니다. 작은 입자, 특히 나노 입자는 사이클링 시 부피 변화가 더 작습니다. 따라서 기계적 응력이 감소하고 경도가 증가하며 파괴 내성이 커집니다.

넓은 입도 분포가 단순 분산 분포에 비해 에너지 밀도가 높은 것으로 보고되었습니다. 입도 분포를 제어하고 사용자 정의하면 사용자 정의 조정이 가능해져 출력(단분산) 또는 에너지 밀도(다분산)를 높일 수 있습니다.

구형 입자가 섬유상 또는 플레이크형 입자보다 더 조밀하게 충진되기 때문에 입자 형상은 충진 밀도와 같은 특성에 영향을 미칩니다.

분리막/바인더/멤브레인 평가

분리막 또는 멤브레인은 전자 흐름을 방지하는 동시에 한 전극에서 다른 전극으로의 이온 흐름을 허용하며, 본질적으로 음극과 양극을 분리합니다.

일반적인 분리막은 폴리올레핀(보통 폴리프로필렌 및/또는 기타 고분자, 세라믹 및 세라믹/고분자 배합)으로 만들어집니다. 분리막은 다공성이 높고(일반적으로 기공률이 > 40%) 두께는 약 25μm이며 낮은 이온 저항을 나타냅니다. 층상 또는 복합 분리막은 전지의 열 폭주를 방지하기 위한 안전 장치로 사용됩니다.

바인더 물질은 전극 활물질 입자를 함께 고정하고 집전체(즉, 양극의 알루미늄 호일 또는 음극의 구리 호일)와 접촉시키는 데 사용됩니다.

제타전위

분리막의 전달 메커니즘을 더 이해하기 위해, 제타전위는 막 전해질 친화도를 나타낼 수 있습니다. 이를 통해 배터리 성능을 미세 조정하여 사이클 수명을 향상시킬 수 있습니다.

분리막의 전해 저항은 낮지만 수계 투과도가 높을 경우 사이클 수명이 연장됩니다. 또한 제타전위를 통해 전해액 첨가제의 막 친화도에 대한 필요한 정보를 얻을 수 있습니다.

기공률 측정

분리막의 허용 기준에서 기공 백분율 사양은 중요한 매개변수입니다. 분리막은 음극과 양극 사이의 이온 이동을 지원하는 액체 전해질을 유지하기에 충분한 기공 밀도를 가져야 합니다. 기공률이 높을수록 전지에서 발생하는 열이 적고 에너지 밀도가 높아집니다.

이온 흐름의 변화를 방지하기 위해서는 균일한 기공률이 필수적입니다. 분리막 내 이온 흐름의 변화가 많을수록 전극 표면에서의 영향이 더 커지며 사이클 수명이 현저히 감소하여 고장 시간이 더 짧아집니다. 기공률이 과도하면 분리막이 과열된 배터리를 차단할 수 있도록 하는 데 필수적인 기공이 닫히는 능력이 떨어집니다.

기공 크기, 형상, 분포 및 굴곡도

분리막 기공 크기는 전극 구성 요소, 즉 전극 활물질 및 모든 전도성 첨가제의 입자 크기보다 작아야 합니다. 대부분의 분리막에는 입자의 침투를 차단하는 1마이크론 미만 크기의 기공이 있습니다.

기공의 균일한 분포와 굴곡 구조도 요구되는 조건입니다. 균일한 분포는 분리막 전체에 걸쳐 고르지 않은 전류 분포를 방지하고 굴곡은 리튬의 수지상 성장을 억제합니다.

전해질 분석

전해액은 상용 리튬 이온 배터리에서 양극과 음극 사이의 리튬 이온 전도를 허용하는 핵심적인 역할을 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 전해액은 유기 용매에 LiPF6과 같은 리튬 염을 용해시켜 만듭니다.

전극의 산화를 방지하고 양호한 사이클 수명을 얻으려면 순도가 높아야 합니다. 최종 전해액에는 리튬 염 외에도 다양한 첨가제가 포함되어 있습니다. 이러한 첨가제는 LiPF6 용액과 혼합되어 리튬의 수지상 형성 및 용액 열화를 방지합니다.

제타전위

분리막-전해질 계면에서 전하 분리로 인해 동전기 현상이 발생합니다. 대전된 전해질 용액이 분리막의 기공을 통해 확산되면 계면에서 제타전위의 영향을 받아야 합니다.

계면에서의 제타전위는 분리막을 가로지르는 전해질의 통과를 방해하거나 도울 수 있습니다. 제타전위 값은 시스템의 잠재적 안정성을 나타냅니다. 값이 클수록(양수 또는 음수) 용액의 안정성이 높아집니다.

제조 및 고장 분석

제조 전과 제조 중의 재료 특성 분석은 전지 구성 요소와 최종 조립된 배터리의 최적 작동을 보장하기 위한 중요한 제어 매개변수입니다.

원료에서 구성 요소 제조 및 조립된 배터리 자체에 이르기까지, 재료의 특성 분석은 원하는 전기화학적 성능, 안전성, 전지 사이클링 및 기타 중요한 매개변수를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

입도/입자 형상 – 원료

입도와 입자 형상은 충진 밀도에 영향을 미치며 결과적으로 전극 두께와 에너지 밀도에 영향을 미칩니다.

코팅된 호일 내 입자의 배향뿐만 아니라 흑연의 입도 분포가 흑연 음극의 전기화학적 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 순도 또한 중요한 문제이며 전극 제조에 사용되는 모든 분말 및 첨가제에서 금속 불순물은 낮은 수준으로 유지되어야 합니다.

성능 저하

전지 수명 동안의 물리적 및 전기화학적 사건은 성능 저하의 원인이 됩니다. 이러한 성능 저하는 충전 및 방전 사이클 동안의 용량 감소 또는 유효 기간 감소를 통해 가장 두드러지게 나타납니다.

팽창 및 수축은 전극 성능에 악영향을 미치는 계면 응력을 유발하고, 박리를 발생시켜 전극 재료와 집전체 사이의 접촉이 감소할 수 있습니다. 이런 기계적 손상으로 인해 기공 크기가 변화하여 전해액 접촉이 감소하고 사이클링 동작이 저하될 수 있습니다.

DSC 및 TGA와 같은 승온 분석 방법을 사용하여 가능한 과열 조건을 검사할 수 있습니다.

캘린더링/고체 분율 측정

캘린더링은 고성능 전극 생산에서 가장 중요한 단계입니다. 전극 필름의 기공률과 두께는 캘린더링이 증가함에 따라 감소합니다. 캘린더링은 또한 전극의 기공 구조를 변화시켜 전해질에 의한 필름의 습윤 거동에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

최적 수준을 초과하는 캘린더링은 기공률 및 기공의 평균 직경 감소를 유발하여 비가역적 용량 손실, 사이클링 속도 증가 및 사이클 성능의 수명 저하를 초래할 수 있습니다. 고체 분율은 롤러 압착 작업에 사용되는 제어 매개변수입니다. 이 제어 매개변수는 롤러 압착기의 속도, 압축 및 닙 각도에 대한 최적의 설정을 결정하는 데 도움이 됩니다. 고체 분율을 핵심 품질 특성으로 사용하면 설계한 대로의 원하는 전기화학적 성능을 가진 최종 제품과 더불어 배치 간에 일관된 제품을 보장할 수 있습니다.

PTA는 공급원료의 분말 흐름 특성을 분석하여 원활한 공정을 보장하고 완성된 전극 필름의 특성을 분석할 수 있습니다.