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리튬 이온 배터리 물질 최적화에서 분석 기술의 역할_배터리 전극 물질의 최적화를 위한 분석 툴키트
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작성자 : 사이언스21 | 조회: 22 | 날짜: 2020-09-03 09:56:28
이 백서에서는 다양한 파라미터의 측정이 어떻게 리튬 이온 배터리용 전극 물질의 특성 최적화에 도움이 되는지에 대한 개요를 제공한다. 핵심 초점은 제조된 배터리 셀의 성능에 영향을 미치는 전극 물질이다. 여기에는 연구 단계는 물론 생산 공정 중의 품질 관리 단계에서도 이러한 물질의 최적화를 지원하는 분석 기술도 설명되어 있다.

서론
리튬 이온 배터리와 같은 현대식 배터리는 스마트 모바일 기기부터 무공해 전기 자동차 및 지능형 전원 관리 솔루션까지 우리의 일상생활을 혁신하였다. 또한 배터리는 전력망 응용 분야용 재생 에너지 자원을 보완하기 위한 대량의 에너지 저장에 대한 경제적인 대안이 될 수 있는 잠재력도 갖고 있다.
이러한 성공에도 불구하고 안전과 성능 측면에서 배터리 기술의 격차는 여전히 남아 있다. 전기 자동차와 같은 응용 분야에서 대규모 적용을 위한 비용 절감도 마찬가지로 중요하다. 이러한 핵심 과제들은 새로운 배터리 물질 연구뿐만 아니라 생산 비용을 최소화하기 위한 생산 효율 향상도 이끌고 있다.

대도시의 오염 수준 증가라는 절박한 문제로 인해 전 세계에서 전기차에 대한 관심이 급격히 커졌으며 이는 뛰어난 주행 거리, 빠른 충전 시간, 향상된 안전성과 동시에 비용 절감이라는 관점에서 배터리 기술 향상을 위한 개발을 이끄는 주요 동력이다. 배터리 시장은 향후 10년간 매년 10%를 넘는 연간 복합 성장률을 기록할 것으로 예상되며, 주로 운송 부문의 전기화가 이를 주도할 것이다.
이와 동시에 에너지 효율, 전력 밀도, 충전식 배터리의 안전성을 향상시키는 새로운 혁신 기술이 상용화될 것으로 예상된다.

리튬 이온 배터리에 사용되는 전극은 전기화학 성능에 결정적인 영향을 미치며, 일반적으로 활성 전극 입자로 만든 다중 성분 슬러리와 결합 용액에 부유하는 전도성 첨가제로 금속 박판을 코팅하여 제조된다.
전극 입자의 크기 및 형상 분포는 안정성 및 사용 용이성의 측면에서 이 슬러리의 유변학에 영향을 미칠 뿐만 아니라 두께 균일성, 패킹 밀도 및 다공도와 같은 최종 코팅의 품질 파라미터도 정의한다. 이는 결국 이온 전달률 및 배터리 충전 시간과 같은 주요 배터리 성능 파라미터에 영향을 미친다.

전극 제조 공정의 최적화는 복잡한 과제로서, 다양한 보완적 분석 기법들을 이용한 분리 및 조합을 통한 슬러리 성분의 강력한 특성화가 가장 필요하다. 이러한 분석 도구에 의해 밝혀진 물질의 정보는 슬러리 성분의 특성을 최적화하는 기초가 되며, 높은 전극 제조 효율과 결합된 바람직한 전기화학 성능의 이중 목표를 달성하는 데 도움이 된다.

입자 형상
입자 형상이 중요한 이유는 무엇인가?
배터리 전극 물질에서 입자 형상의 역할은 종종 무시되거나 과소평가된다. 그러나 이는 배터리 물질의 잠재력을 최대한 발휘하여 최고의 성능을 보여주는 배터리를 만드는 데 있어 중요한 열쇠이다.
입자 형상은 패킹 밀도, 기공률, 균일성 측면에서 전극 코팅뿐만 아니라 슬러리 유동 특성에도 영향을 미친다. 또한 입자 형상은 전구체 물질의 생산 효율에도 영향을 미친다. 최고의 배터리 성능을 달성하려면 제조업체도 입자 형태학을 이해하고 최적화해야 한다. 일반적으로 입자 형상은 다음과 같은 영향을 미칠 수 있다.

- 전구체 수율: 입자 크기와는 별개로, 입자 형상에 따라 전구체의 생산 효율도 달라진다. 매우 불규칙하거나 긴 입자는 높은 회전 속도로 교반 되는 슬러리의 유체역학적 힘에 의해 재용해되거나 파손되어 큰 이차 입자의 성장을 방해한다. 전구체 입자의 형상과 최적화를 모니터링하면 전구체 생산 효율을 최고 수준으로 높일 수 있다.

- 전기화학 성능: 활성 전극 및 전도성 첨가제 입자의 형상은 금속 기질에 대한 패킹 거동 및 배터리에 통합될 때 전해질과 상호작용하는 방식에 영향을 미친다.
연구에 따르면, 구형을 사용하면 불규칙한 형상으로 밀접하게 결합된 입자와는 달리 특히 두꺼운 전극에서 입자가 고율 방전 성능이 증가한다고 한다. 보다 일반적으로, 구체가 더 크면 전극 내 전해질이 쉽게 투과하므로 반응 속도가 증가되어 결과적으로 높은 배터리 전력을 얻을 수 있다. 따라서 입자 크기 및 형상의 동시 최적화는 뛰어난 전기화학 성능을 얻는 유용한 전략이 될 수 있다.

- 고체 부하: 입자의 패킹 방식에 영향을 미침으로써, 입자 형상은 고체 부하와 현탁액 점도 간의 관계에도 영향을 미친다. 매끄러운 입자는 표면이 거친 등가 크기의 입자보다 전단 점성률이 낮으며, 이는 미터법 볼록성을 통해 정량화할 수 있는 것보다 더 낮은 특성을 가진다. 볼록성이 낮은 입자는 매끄러운 유사체에 비해 비표면적을 증가시키는 나선형 윤곽선이 있어 현탁액 내의 유동에 대한 기계적 저항을 증가시키는 경향이 있다.

- 슬러리거동: 전극 슬러리와 관련하여, 긴 입자는 낮은 전단 조건에서 더 구형인 입자보다 더 높은 점도와 연관되는 경향이 있다. 하지만 높은 전단에서는 그 역이 성립하며, 긴 입자는 유동 방향으로 인해 높은 전단 유동화 거동을 보이는 경우가 많아 매우 효율적인 패킹이 가능하다.

입자 형상 측정 자동
이미징 자동 이미징(0.5μm에서 1mm를 넘는 입자에 적합)은 건조 분말 분산 또는 액체 매질에서의 분산과 같이 통계적으로 풍부한 입자의 앙상블에 대한 입자 크기 및 형상 측정을 모두 제공한다. 자동 이미징은 전극 입자 형태의 종합적인 최적화를 위한 데이터를 생성하는 효율적인 기법이다. 자동 이미징 시스템은 단 몇 분 만에 분산된 샘플에서 수만 개 입자의 개별 이미지를 캡처한다. 아래 그림은 자동 이미징으로 밝혀진 일반적인 입자 형태를 보여준다.

그림 1: 자동 이미징으로 밝혀진 입자 형태학적 구별


개별 입자에 대해 여러 크기와 형상 파라미터가 계산되고 통계적으로 유의한 숫자 기반 분포를 구성하는 데 사용된다. 입자와 동일한 면적을 갖는 원의 지름으로 정의된 등가경(그림 2)은 종종 비원형 입자의 크기를 정의하는 데 사용된다.

그림 2: 불규칙한 입자의 길이, 폭 및 CE 직경


가장 일반적으로 사용되는 형상 파라미터는 다음과 같다.
원형도 = 입자 둘레/등가 면적 원의 둘레 또는 고감도(HS) 원형도 = (둘레/등가 면적 원의 둘레)2

원형도는 종종 입자가 완벽한 구체에 얼마나 가까운지 측정하는 데 사용된다.
그러나, 표면의 거칠기 또는 물리적 형태 중 어느 하나에 의한 변화, 또는 그 둘 모두에 의한 변화에 기인하여 임의의 편차가 발생할 수 있기 때문에 데이터 해석 시 주의가 요구된다.
다음과 같이 정의되는 연신율로 물리적 형태를 측정할 수 있다.
연신율 = 1 - (너비/길이)

반면, 표면 거칠기는 다음과 같이 정의되는 볼록성을 사용하여 측정할 수 있다.
볼록성 = 볼록 겉표면 둘레/실제 입자 둘레
간단히 말해, 그림 3에 도시된 바와 같이 입자 이미지의 윤곽 주위로 늘어나는 가상의 탄성밴드(Imaginary elastic band)로부터 볼록한 겉표면의 둘레가 계산된다. 볼록성 값 1은 매끄러운 입자를 의미하며 값이 낮을수록 거칠기 커짐을 의미한다.

그림 3. 녹색의 폐쇄 루프는 해당 형상의 볼록 겉표면 둘레


그림 4에는 세 가지 서로 다른 입자 유형의 형상 파라미터가 나와 있다.

그림 4: 연신율, 볼록성 및 원형도의 세 가지 서로 다른 입자 유형


자동 이미징은 수동 현미경 분석과 관련된 주관성을 없애며 동시에 측정 시간을 크게 단축시켜 입자 형상이 배터리 전극 성능에 미치는 영 향을 체계적으로 조사할 수 있게 해준다.

그림 5: 자동 이미징 측정을 위한 일반 워크플로


자동 이미징 기술의 최근 발전은 더 빠른 측정, 향상된 감도 및 보다 간편한 방법 개발을 제공하여 광범위한 산업 응용 분야에서 이러한 기술을 효율적으로 적용할 수 있도록 지원한다. 자동 이미징은 1~1,000μm 범위의 입자를 분석하면서 SEM보다 훨씬 뛰어난 통계적 정확도를 제공한다. 
그림 6~7은 레이저 회절로도 측정되었던 3개의 서로 다른 양극 물질에서의 입자 이미지와 파생된 크기 및 형상(HS 원형도)을 보여준다. 입자의 형태에 대한 추가 정보를 사용하여 이러한 양극 물질로부터 만들어진 완성된 전극의 전기화학 성능 차이를 설명할 수 있다.

그림 6: 서로 다른 조건에서 합성된 3개의 양극 물질에서 자동 이미징으로 캡처한 입자

이미지의 예
그림 7: 자동 이미징을 사용한 양극 물질(그림 7의 이미지)의 입자 크기(왼쪽) 및 형상(오른쪽) 분석 HS 원형도는 입자 형상의 불규칙성을 나타내는 척도로써, 값 1은 완전한 원형을 의미하며 값이 그보다 작을수록 원형 편차가 더 크다는 것을 나타낸다. 양극 B와 C는 매우 불규칙하며 HS 원형도 값의 차이가 크다. 또한 양극 C는 일부 지나치게 큰 입자가 있는 광범위한 크기 분포를 가진다.


Rerference(참고문헌): 말번 파날리티칼 White Paper: 배터리 전극 물질의 최적화를 위한 분석 툴키트
Model Name(모델명): MORPHOLOGI 4
The Person in Charge(담당자): Hyunjung Gu
Maker(제조사): Malvern panalytical
Country of Origin(원산지): UK
e-mail: info,korea@malvern.com
Data Services(자료제공): Malvern panalytical


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