리튬 이온 배터리가 더 많은 에너지를 보유할 수 있도록 음극 재료의 탭 밀도를 개선합니다.

탭 밀도는 전극 재료의 두 가지 중요한 물리적 특성 중 하나이며 리튬 이온 배터리(LIB)의 에너지 밀도에 영향을 미칩니다. 또 다른 중요한 물리적 특성은 입자 크기 분포로, 생산 중 연삭 파라미터를 최적화하는 데 적절한 정보를 제공합니다. 탭 밀도를 개선하면 LIB 제조 중 높은 에너지 밀도를 최적화할 수도 있습니다.

따라서 LIB 생산자는 가장 최적의 달성 가능한 탭 밀도를 미리 결정한 다음 이 파라미터를 '골드 표준'으로 사용하여 생산 중 공정에서 샘플이 '골드 표준' 측정치와 일치하거나 근접할 때까지 측정할 필요가 있습니다. 사용이 간편한 BeDensi T Pro 시리즈는 성능 저하 없이 탁월한 성능을 제공하는 경제적인 기기이기 때문에 이상적인 탭 밀도 테스터입니다.

 

                        

제품	비덴시T 프로 시리즈, 베터사이저 ST
산업 분야	배터리 및 에너지
샘플	LiFePO4
측정 유형	분말 특성, 입자 크기 분포
측정 기술	분말 특성 분석, 레이저 회절

 

 

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• 실험
 
• 결과
 
• 결론
 
• 참조
 

 

 

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1. 소개

 

리튬 이온 배터리(LIB)는 '정보 가전'으로도 알려진 3C 제품(컴퓨터, 통신, 가전)에 널리 사용됩니다. 3C 제품의 크기가 크지 않기 때문에 흔히 '3C 소형 가전'이라고도 합니다. 그림 1a의 그림에서 볼 수 있듯이 LIB를 사용하는 다른 장치로는 전기 자동차 및 고정식 에너지 저장 시스템이 있습니다. 그림 1b에 표시된 그래프에서 볼 수 있듯이 LIB는 실용적인 충전식 배터리 중 에너지 밀도가 가장 높기 때문에 다른 모든 선택지 중에서 가장 많이 사용됩니다.

 

 

그림 1. 리튬 이온 배터리의 응용 분야(a) 및 충전식 배터리의 에너지 밀도(b).

 

 

이러한 부피 제약이 있는 애플리케이션의 경우 배터리의 부피 에너지 밀도는 고려해야 할 필수 파라미터입니다. 부피 에너지 밀도는 단위 부피당 저장된 에너지의 양이며 일반적으로 리터당 와트시(Wh/L)로 표시됩니다. 부피 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 낮은 비슷한 부피의 배터리보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 또한 LIB를 적절한 제품에 설치할 때 크기 제한이 있는 경우가 많으므로 부피가 제한된 시스템에서는 더 작은 크기의 고에너지 밀도 LIB가 확실한 이점이 됩니다. 지금까지 LIB의 에너지 밀도와 전력을 높이기 위한 광범위한 연구가 이루어졌지만, 달성된 에너지 저장 능력은 증가하는 시장 수요를 충족하기에 여전히 충분하지 않습니다. ^[1]

 

 

높은 체적 에너지 밀도를 달성하려면 LIB 양극 전극의 활성 물질이 높은 탭 밀도를 가져야 합니다. 표 1은 일반적인 음극에서 활성 물질의 이론 밀도와 탭 밀도 간의 차이를 보여줍니다. 이러한 활성 물질에는 _LiCoO2 (LCO), Li(_NixCoyMnz)_O2 (NCM), _LiFePO4 (LFP) 및 _LiMn2O4가 포함됩니다. 일반적으로 탭 밀도는 입자 크기, 입자 크기 분포, 형태 등과 큰 관련이 있습니다. ^[2] 생산 공정을 최적화함으로써 밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다. 전구체 준비, 소성 및 분쇄와 같은 여러 매개변수를 구체적으로 최적화할 수 있습니다. 음극 활물질은 바인더 또는 전도성 물질과 혼합되어 알루미늄 컬렉터에 코팅된 후 롤 프레스로 압착됩니다. 전극의 패키징 밀도가 개선되어 같은 부피에 더 많은 에너지를 담을 수 있습니다.

 

 

표 1. 음극 재료의 이론적 및 탭 밀도.

                         

양극 재료	Li (NixCoyMnz)O2	LiFePO4	LiMn2O4	LiCoO2
이론적 밀도(g/cm3)	4.85	3.60	4.31	5.10
탭 밀도(g/cm3)	2.6-2.8	0.80-1.10	2.20-2.40	2.80-3.00

 

 

분쇄 시간은 양극 분말 재료의 입자 크기 분포(PSD)에 직접적인 영향을 미칩니다. PSD는 탭 밀도에 큰 영향을 미칩니다. 이 애플리케이션 노트의 주요 목표는 LIB 양극재의 탭 밀도에 대한 PSD의 관계를 확인하는 것이었습니다.

 

 

2. 실험

 

서로 다른 분쇄 시간으로 제조된 두 개의 _LiFePO4 (LFP) 샘플의 탭 밀도를 두 대의 워크스테이션이 있는 BeDensi T2를 사용하여 특성화했습니다. 실험은 ASTM B527-20 표준에 따라 테스트되었으며, 50g 샘플을 실린더에 주입하는 데 사용되었습니다. ^[3] 낙하 높이는 3mm, 탭핑 속도는 분당 200회, 총 탭핑 시간은 8분 동안 진행되었습니다. 샘플의 입자 크기 분포는 베터사이저 ST를 사용하여 레이저 회절을 통해 1분 이내에 측정했습니다.

 

 

3. 결과

 

3.1 태핑 밀도

 

그림 2a는 LFP-1 및 LFP-2 분말의 탭 부피가 각각 55.5ml 및 46.0ml임을 보여줍니다. 기기의 계산 보고서에 따르면 LFP-1의 탭 밀도는 0.89(^g/cm3 )이고 LFP-2의 탭 밀도는 1.08(^g/cm3 )입니다. 그림 2b에서 각 샘플에 대해 10개의 복제본이 보고되었으며, 이는 테스트 결과가 매우 반복 가능함을 확인시켜 줍니다. 정확하고 반복 가능한 결과에는 세 가지 이유가 있습니다:

 

a) 테스트 방법이 ASTM B527-20 표준을 충족합니다.
b) 테스터에는 두드리는 동안 질량의 분리 가능성을 최소화하기 위해 실린더를 회전시키는 장치가 있습니다.
c) 실린더는 눈금이 표시되어 있으며 그림 3과 같이 3개의 다른 각도에서 판독한 다음 세 판독값 모두에서 평균값을 얻어 탭 밀도를 계산하는 데 사용되는 평균값을 확인합니다.

 

 

그림 2. (a) 탭핑 중 시료 부피 변화, (b) 탭핑 밀도에 대한 10회 반복 시료 측정

 

 

그림 3. 판독하기 쉬운 눈금 실린더가 있는 BeDensi T2 Pro

 

 

3.2 입자 크기 분포(PSD)

 

탭 밀도 측정 후, 두 LFP의 입자 크기 분포(PSD)를 연구했습니다. 그림 4에 표시된 결과, 두 샘플의 PSD는 0.28~38.41μm의 동일한 범위인 반면, LFP-2의 D50은 9.21μm로 LFP-1의 4.08μm에 비해 큰 것으로 나타났습니다.

 

그림 4. 0.28 ~ 38.41 범위의 두 샘플의 PSD

 

 

표 2. 음극 재료의 이론적 및 탭 밀도.

                            

샘플	Dmin (μm)	D10 (μm)	D50 (μm)	D90 (μm)	Dmax (μm)
LFP-1	0.28	1.10	4.08	12.21	38.41
LFP-2	0.28	1.46	9.21	18.07	38.41

 

 

따라서 두 샘플의 PSD 범위는 동일하지만, LFP-1의 D50이 LFP-2보다 작아 탭 밀도가 더 낮습니다. Ying 등은 평균 입자 크기가 작을수록 탭 밀도가 낮아진다고 보고했습니다. ^[4] 이 경우 연삭 시간을 늘리면 그림 4의 LFP-1에서 볼 수 있듯이 입자 크기가 줄어듭니다.

 

 

이러한 크기 감소의 결과적인 효과는 이러한 샘플에서 더 큰 부피를 차지하는 밀도 감소로 이어집니다. 탭 밀도와 PSD의 관계를 이해하려면 생산 공정을 최적화하고 고품질 LIB를 제조하기 위해 탭 밀도 테스터와 레이저 회절 분석기가 필요합니다.

 

 

결론

 

BeDensi T Pro 시리즈 기기가 표시하는 보고서를 통해 입자 크기 분포를 조정하여 최적의 탭 밀도에 도달했음을 확인할 수 있습니다. 양극 전극 재료의 중요한 특성 중 하나인 탭 밀도는 리튬 이온 배터리가 동일한 부피의 재료에 더 많은 에너지를 담을 수 있도록 준비 과정에서 개선되어야 합니다. 따라서 LIB 제조업체는 사용하기 쉽고 효율성이 높은 탭 밀도 테스터를 사용하여 전극 재료의 탭 밀도를 신속하게 특성화할 필요가 있습니다. BeDensi T Pro 시리즈는 연구, 개발 단계 테스트에서 생산 관리에 이르는 전극 재료 측정에 이상적으로 적합합니다.

 

 

참고 자료

 

[1] 엘 카르바치, A., 외. 리튬 이온 배터리 기술 이상의 이점, 발전 및 과제. J. Alloys Compd., 817 (2020)

 

[2] 양, S., 외. 첨단 리튬 이온 배터리를 위한 연속 수산화물 공침법을 통해 합성된 높은 탭 밀도 구형 Li[Ni0_.5Mn0.3Co0.₂] _O2 음극 소재. Int. J. Electrochem., 9 (2012).

 

[3] ASTEM B527-20 표준: 금속 분말 및 화합물의 탭 밀도에 대한 테스트 방법.

 

[4] Ying J, 외. 리튬 이차 전지를 위한 고밀도 구형 LiNi0._8Co0.2O2 양극 재료의 제조 및 특성화. J. Power Sources, 99 (2001)

 

 

 

저자 소개

        

퍼필 리우 수석 애플리케이션 엔지니어 @ 베터사이즈 인스트루먼트

 

 

        

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