리튬 이온 배터리의 연구, 개발 및 활용은 세계에서 가장 빠르게 성장하는 산업 분야 중 하나입니다. 심박 조율기, 드론, 자동차는 물론 항공기를 포함한 수많은 제품이 배터리를 사용하여 전력을 공급합니다. 그 어느 때보다 배터리의 안전성, 성능 및 신뢰성 보장이 중요합니다.
그런데 배터리의 안전성, 성능 및 수명은 배터리 제조에 사용되는 소재에 의해 결정됩니다. 특히, 전극, 분리막 및 전해질은 생산 시설에 들어가는 순간부터 최종 제품으로 완성될 때까지 완전히 특성화되고 모니터링되어야 합니다.
측정해야 하는 매개변수에는 전극 표면적, 결정 구조, 입자 및 결정 크기, 기공 크기, 전극 슬러리 흐름 및 경화 특성, 원료의 화학적 순도, 분리막 기공 크기 및 구조 특성, 전해질 점도, 밀도 및 인화점이 포함됩니다.
고체 전극 소재
리튬 이온 배터리의 전극(음극 및 양극)은 이온 전달에 핵심적인 역할을 하므로 효율적인 에너지 전달에 매우 중요합니다. 이 전극은 압축된 미립자 물질로 구성됩니다. 이러한 재료의 화학적 조성과 물성은 모두 배터리의 성능, 수명 및 안전성에 결정적인 영향을 미치며, 이는 최종적으로 원하는 용도에 맞는 배터리 설계 최적화의 기준이 됩니다. 표면적, 입자 크기, 결정 크기 및 모양, 기공 크기와 같은 전극 소재의 물성은 단일 셀 내의 전하 교환에 직접적인 영향을 미칩니다. 전극 소재 입자의 결정 구조, 고체 및 골격 밀도, 제타 전위와 같은 기타 물성은 배터리의 내부 전도도에 중요한 역할을 합니다. 또한 배터리의 내구성은 전극 코팅의 품질 뿐만 아니라 전극 자체의 접착력과도 관련이 있습니다. 이는 정량화 가능한 스크래치 테스트를 통해 정확하게 평가할 수 있습니다. 전극 재료 개발의 또 다른 핵심 단계는 중금속 오염을 테스트하는 것입니다. 마이크로파 산 분해는 중금속 분석을 위한 초기 시료 준비 단계입니다. XRD 또는 SAXS와 같은 방법을 사용하면 충방전 과정 중 변화를 모니터링하기 위해 완전한 배터리 어셈블리의 전극 소재가 충방전 과정이 진행되고 있는 동안의 특성을 실시간으로 특성화할 수도 있습니다.
전극 슬러리
양극 및 음극 슬러리의 혼합과 코팅 공정의 적절한 설계 및 개발은 배터리 성능을 위해 필수적인 부분입니다. 슬러리의 밀도, 점도, 점탄성 및 요변성 거동과 같은 매개변수는 조성과 농도를 결정하고 제어하는 데 필요한 정보를 제공합니다. 따라서 혼합 시 균질성을 달성하는 데 필요한 시간, 속도 및 온도를 결정하여 불필요한 교반을 피할 수 있습니다. 적절한 펌프를 선택하거나 더 나은 펌핑을 위해 배합을 조정하려면 전단 속도에 따른 점도 및 항복점을 조사해야 합니다. 구조 회복을 측정하여 코팅 공정 중 표면 평탄도가 양호한지 모니터링할 수 있습니다.
저장되는 슬러리는 침전되지 않아야 하며 점탄성 테스트 및 제타 전위 측정을 통해 확인된 균질성을 유지해야 합니다. 또한 슬러리 입자의 표면적은 배합 및 거동과 직접적인 관계가 있으며, 이 매개변수를 알면 재료 비용을 절감하고 일관적인 품질을 확보하는 데 도움이 됩니다.
분리막 및 집전체
리튬 이온 배터리의 분리막은 얇은 다공성 막으로 양극과 음극 사이의 이온이 흐르도록 하는 한편 단락을 방지하여 배터리 기능을 유지하는데 중요한 역할을 합니다. 분리막은 기계적으로 견고하고 배터리 활성 조건에서 안정적이어야 하며 다른 셀 소재에 대해 불활성이면서도 이온 수송이 가능할 만큼 다공성이어야 합니다. 분리막의 Through-pore 크기는 최적의 배터리 성능을 보장하는 핵심 매개변수입니다. 기공은 덴드라이트가 분리막을 가로질러 형성되어 단락을 일으키는 것을 방지할 수 있을 만큼 작아야 하지만, 음극과 양극 사이의 이온 흐름을 촉진할 만큼 커야 합니다. 또한, 더 큰 기공이나 핀홀은 단락으로 이어질 수 있으므로 검사하고 예방해야 합니다. 분리막의 또 다른 주요 매개변수는 기계적 강도와 구조적 특성입니다. 특히, 조립 중 파열이나 찢어짐은 물론 조립 후 처짐을 방지하기 위해서는 분리막의 Pre-tension이 얼마나 필요한지를 측정하는 것이 핵심입니다.
전해질
리튬이온 배터리의 전해질은 양극과 음극 사이의 전하 이동을 가능하게 하여 배터리 기능에 핵심적인 역할을 합니다. 전해질은 또한 양극 및 음극 표면을 안정화시키고 배터리 수명을 연장합니다. 전해질의 물성, 특히 밀도와 점도를 철저히 특성화하는 것은 전도성, 적절한 습윤 및 충전을 보장하는 데 중요합니다. 전해질 용액의 점도는 배터리의 출력뿐만 아니라 배터리 충전 공정을 최적화하는 데에도 중요한 역할을 합니다. 염분 용해 및 농도와 같은 전해질 용매의 품질 또한 배터리 성능의 핵심 요소입니다. 전해질 용액의 밀도 및 굴절률 측정은 염분 용해 및 농도와 같은 적절한 용매 품질을 보장하기 위한 빠르고 정확한 품질 관리 방법입니다. 리튬 이온 전해질의 또 다른 중요한 측면은 인화점입니다. 이 매개변수를 정확하게 측정하는 것은 배터리의 열 안전성을 보장하는 핵심입니다.
