리튬 배터리 음극 재료에 레이저 입자 크기 분석기 적용
2021-03-23Application Note
높은 에너지 저장, 안정성 및 안전 성능을 달성하기 위해서는 리튬 배터리 양극 재료의 입자 크기 분포를 엄격하게 제어해야 합니다. 따라서 배터리 제조업체는 레이저 입자 크기 분석기인 Bettersizer 2600을 사용하여 전극 재료의 입자 크기 분포를 빠르고 쉽게 측정하는 것이 중요합니다.
| 제품 | 베터사이저 2600 |
| 산업 분야 | 배터리 및 에너지 |
| 샘플 | 리튬 배터리 음극 |
| 측정 유형 | 입자 크기 |
| 측정 기술 | 레이저 회절 |
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소개
특히 자동차 산업과 스마트 웨어러블 기기를 위한 새로운 형태의 에너지가 빠르게 발전함에 따라 리튬 배터리용 양극재의 연구와 생산은 점차 전 세계적으로 주목을 받고 있습니다. 주요 연구 분야 중 하나는 고용량, 긴 수명 주기, 높은 안전 성능 및 저렴한 가격을 갖춘 리튬 이온 배터리 양극재 개발입니다. 이 분야의 노력은 배터리 산업의 주류가 되었으며 빠르게 발전하고 있는 상태입니다. 통계에 따르면 2021년 1월 초, 리튬 이온 배터리는 자동차 업계에서 본격적인 생산 일정에 들어갔고 연말 주문이 급증했습니다. 이로 인해 특히 리튬 이온 배터리용 양극재 공급에서 업스트림 고성능 원자재 부족 현상이 발생했습니다.
일반적으로 리튬 이온 배터리 양극재에는 리튬 인산철, 리튬 코발트 산화물, 탄산 리튬, 하이 니켈 삼원계 소재가 포함됩니다. 모든 양극재 입자의 입자 크기와 크기 분포는 이러한 배터리의 충전 및 방전 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 리튬 이온 배터리의 개발 및 생산 과정에서 리튬 이온 배터리 양극재의 입자 크기 분포를 측정하는 것은 매우 중요합니다.
리튬 인산철은 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 양극 소재입니다. 입자 크기 분포에 따라 리튬 이온 배터리에서 리튬 인산철의 처리 및 적용 성능이 결정됩니다. 이 애플리케이션 노트에서는 5개의 리튬 인산철 시료의 입자 크기 분포를 측정하기 위해 Bettersizer 2600 레이저 입자 크기 분석기를 사용했습니다.
Bettersizer 2600 레이저 입자 크기 분석기
리튬 인산철 입자의 입자 크기 분포
그림 1. 리튬 인산철 입자의 입자 크기 분포
리튬 인산철 입자의 일반적인 입자 크기 값
표 1. 인산철 리튬의 일반적인 입자 크기 값
| 샘플 | D10 (μm) | D50(μm) | D90 (μm) |
| B | 0.370 | 0.991 | 2.790 |
| D | 0.973 | 4.228 | 11.150 |
| A | 0.388 | 1.057 | 3.126 |
| C | 0.387 | 0.956 | 2.970 |
| E | 0.985 | 10.190 | 18.330 |
그림 1에서 볼 수 있듯이 리튬 인산철 A, B 및 C의 평균 입자 크기는 D 및 E의 평균 입자 크기보다 훨씬 작았습니다. 일반적으로 리튬 인산철의 평균 입자 크기는 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 작은 입자는 리튬 이온 배터리의 활성 물질의 비표면적을 증가시키고 배터리 내 리튬 이온의 확산 경로를 단축하여 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 반응성을 촉진할 수 있습니다.[1].
그러나 리튬 인산철의 입자 크기가 너무 작으면 입자가 응집되기 쉽습니다. 이는 전자 전도도와 고상 확산 계수의 감소로 이어져 리튬 이온 배터리의 내부 저항을 증가시킵니다. 높은 내부 저항의 영향으로 전류의 일부가 열 에너지로 변환됩니다. 이로 인해 리튬 이온 배터리에서 상당한 양의 열 손실이 발생하여 궁극적으로 배터리의 용량과 방전 성능에 영향을 미칩니다.
잘 알려진 리튬 철 인산염 제조업체의 피드백에 따르면 대부분의 리튬 철 인산염 제품의 D50은 1μm-2.5μm 범위에 있습니다. 이 크기 범위에서 리튬 이온 배터리의 효과적인 방전 성능이 최적 수준에 도달하는 데 도움이되기 때문에 전기 화학적 특성이 가장 좋은 것으로 밝혀졌습니다. 또한 소량의 리튬 인산철 입자의 D50은 샘플 D 및 E와 같이 3.5μm-8μm 범위로 내부 저항이 높고 전기 화학적 특성이 좋지 않아 리튬 이온 배터리의 예상 수명, 사용 가능한 용량, 충전 및 방전 속도, 안전성이 감소합니다.
표 1에서 볼 수 있듯이 리튬 인산철 A, B 및 C의 평균 입자 크기는 약 1μm이고 D와 E의 평균 입자 크기는 4μm에서 10μm 사이였습니다. 샘플 E의 경우 입자 크기가 너무 크면 활성 물질에서 리튬 이온의 고상 확산 계수가 저하되어 내부 저항이 증가하고 유효 전하가 감소할 수 있습니다.
동일한 리튬 인산철 시료에 대한 다중 측정
그림 2. 시료 A의 반복성 테스트
그림 2에서 Bettersizer 2600으로 인산철 리튬을 여러 번 측정했을 때 결과 반복성이 우수하다는 것을 알 수 있습니다. D10, D50 및 D90의 반복성 값은 각각 0.13%, 0.07% 및 0.09%로 ISO 13320의 요구 사항에 훨씬 못 미칩니다.[2]. 따라서 리튬 인산철의 입자 크기 분포를 측정하기 위해 Bettersizer 2600을 사용하면 반복성이 높습니다.
결론
리튬 이온 배터리 양극 재료의 입자 크기 분포는 배터리 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 주어진 양극 소재와 셀 크기에 따라 양극 소재의 입자 크기 분포를 조정하여 리튬 배터리의 에너지와 전력을 최적화할 수 있습니다. 높은 에너지 저장, 안정성 및 안전 성능을 달성하기 위해서는 리튬 배터리 양극재의 입자 크기 분포를 엄격하게 제어할 필요가 있습니다. 따라서 배터리 제조업체는 레이저 입자 크기 분석기 Bettersizer 2600을 사용하여 전극 재료의 입자 크기 분포를 빠르고 쉽게 측정할 수 있는 것이 중요합니다.
참고 자료
[1] 초고속 충전 및 방전을 위한 배터리 재료, B Kang, G Ceder, Nature, 2009년 3월 12일, 458쪽.
[2] ISO 13320(2009) 입자 크기 분석 - 레이저 회절 방법.
저자 소개
 | 팡팡 장 애플리케이션 엔지니어 @ Bettersize Instruments |
| SEVEN 배터리 애플리케이션 노트 모음으로 고성능 리튬 이온 배터리의 비밀을 알아보세요. (PDF) |  |
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