양극 물질

리튬 이온 배터리는 다양한 양극 물질을 사용하며, 각 양극 물질은 성능, 용량, 수명에 영향을 미치는 뚜렷한 특성을 가지고 있습니다. 다음은 리튬 이온 배터리에 사용되는 양극 물질의 기본 유형입니다.

인터칼레이션 기반 양극

인터칼레이션 기반 양극은 다층 물질로 층간에 리튬 이온을 저장할 수 있습니다.

• 전기 전도도가 높고 비용이 저렴하며 리튬 이온의 가역적 인터칼레이션을 갖춘 안정적인 구조를 가지고 있기 때문에 흑연과 탄소 양극 물질이 매우 일반적으로 사용됩니다. 그러나 일부 새로운 물질보다 상대적으로 용량이 낮습니다. 난흑연화성 탄소(Hard carbon)는 Na 이온 배터리의 양극으로 사용됩니다.
• 리튬-티타늄 산화물(LTO)은 주기 안정성과 안전성이 뛰어난 것으로 알려져 있으며, LTO는 리튬 삽입 및 추출 중에 상당한 볼륨 변화를 겪지 않습니다. 그러나 다른 양극 물질에 비해 전도도가 낮고 높은 전압에서 작동하므로 용량이 제한됩니다.

합금 기반 양극

합금 기반 양극은 리튬과 합금을 형성할 수 있는 금속 또는 그 산화물(Si, Ge, Sn, Sb, Si/Sn 산화물)을 말합니다.

실리콘은 이론적으로는 흑연보다 훨씬 더 큰 용량(최대 10배까지 가능)을 제공할 수 있습니다. 그러나, 실리콘은 주기 중에 상당한 볼륨 확장이 일어나므로 기계적 고장이 발생할 수 있고 주기 수명이 단축될 수 있습니다. 이러한 문제를 완화하는 실리콘 복합재 개발을 위한 연구가 진행 중이며, 일부 연구는 이미 상용화되어 있습니다.

변환 양극

변환 양극은 충전 시 (Li_yX + M)으로 변환되는 MX(M = Fe, CO, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo, X = O, P, S, N)입니다. 이러한 물질의 고유한 전기화학 성질과 개선된 용량률(rate capability) 등 잠재적인 이점에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 단점은 전압 히스테리시스(hysteresis)와 높은 수준의 볼륨 확대입니다.

나노구조 양극

최근 연구에서는 표면적을 향상하고 리튬 이온 확산 경로를 줄이는 나노구조 양극 물질에 초점을 맞추고 있습니다. 여기에는 용량, 주기 안정성 등의 성능 메트릭을 개선하기 위해 코어 셸 입자 또는 복합재로 설계된 탄소 기반 물질, 실리콘 및 전이 금속의 다양한 조합이 포함됩니다.

양극 물질 품질은 다음 매개변수를 측정 및 제어하여 최적화할 수 있습니다.

• 입자 크기와 형상
• 결정 구조 및 결함
• 불순물

아래에서 이를 제어하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

자체 활성 물질을 생산하든 공급업체에서 구매하든, 입자 크기와 입자 형상은 배터리 성능뿐 아니라 중단 없는 고수율 생산 공정을 결정하는 매개변수입니다. 

입자 크기와 형상은 전극 슬러리의 유변학, 전극 코팅의 패킹 밀도/다공성, 궁극적으로 배터리의 성능을 좌우합니다. 레이저 회절과 자동 광학 이미징을 조합하여 측정하는 것이 가장 좋은 방법입니다.

Mastersizer 3000+

신뢰성 있는 결과에 필요한 데이터 제공.

Mastersizer 레이저 회절 입도 분석기 제품군은 빠르고 정확한 입자 크기 분석의 표준입니다. 넓은 크기 범위와 동급 최고의 정확도를 갖춘 Mastersizer 3000+는 0.01~3,500마이크로미터 범위의 양극 입자 크기 측정에 필요한 도구입니다. 샘플에서 예기치 않은 결과가 도출되면 추가 조사를 위한 Size Sure 및 데이터 안내 도구를 사용할 수 있습니다. 유연성, 사용 편의성 및 동적 이미징을 위한 Hydro Insight 액세서리를 추가한 Mastersizer는 입자 크기 측정 및 관련 분야에서 최고의 선택입니다.

결정상의 품질은 특정 에너지 및 방전 속도 또는 용량과 같은 배터리 물질의 성능을 좌우하는 또 다른 중요한 매개변수입니다. 배터리 양극 물질에서 중요한 매개변수는 흑연의 흑연화 정도, 방향 지수 및 결정질 크기입니다. 또한 결정질 크기는 실리콘 기반 양극과 같은 나노 결정 활성 물질의 입자 크기에 대한 아이디어를 제공할 수 있습니다. 

Aeris XRD

콤팩트한 미래.

Aeris XRD는 단 몇 분 만에 양극 및 음극 물질을 분석하여 결정질 크기, 흑연화 정도, 방향 지수와 같은 유의미한 매개변수를 제공할 수 있습니다. 산업용으로 적합한 견고성과 안전성을 갖춘 콤팩트한 플러그 앤드 플레이 XRD 시스템입니다. 또한 벨트 또는 로봇 자동화로 공정에 쉽게 통합할 수 있습니다.

양극 물질의 성능을 평가할 때 도펀트(dopant)와 불순물의 농도를 정확하게 측정하는 것이 중요합니다. C-Si 양극인 경우, Si의 상대 농도는 용량과 안정성을 좌우합니다. 

ICP는 원소 조성을 측정하는 일반적인 방법이지만 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리며 유해 화학 물질을 사용합니다. XRF는 이러한 물질의 대부분을 비교적 쉽게 분석할 수 있습니다.

Revontium

뛰어난 성능, 강력한 분석, 무한한 가능성을 갖춘 콤팩트 XRF.

Revontium™은 고급 원소 분석이 가능한 탁상형 소형 X선 형광(XRF) 분석기입니다. 플로어 스탠딩 XRF의 성능과 기존 탁상형 XRF 기기의 장점을 결합하였습니다.

콤팩트 XRF이므로 물리적 면적을 적게 차지하고, 주변 환경에 미치는 영향도 적습니다. 소모품의 필요성이 낮고, 광범위한 샘플 준비 및 유지 관리가 줄어들어 소유 유지 비용을 25% 이상 절감할 수 있습니다.