고객 성공 사례 – 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수님 연구실

Malvern Panalytical의 XRD 장비 ‘Empyrean’을 보유한 고객의 성공 사례입니다.

KR Hanyang University 01

고급 리튬 이온 배터리 및 차세대 배터리 시스템용 양극재료를 정확하게 분석하는 데 관한 성공 사례로, 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수님 연구실의 박남영 연구원을 만나보았습니다.

Q. 진행하고 계신 연구에는 어떤 것들이 있습니까?

저희 연구실은 고급 리튬 이온 배터리 및 차세대 배터리 시스템용 음극 소재를 중점으로 하여, 더 높은 용량, 더 긴 주기 및 더 안전한 배터리 소재의 연구 개발에 중점을 두고 있습니다. 소재의 물리적, 전기화학적 특성에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 리튬이온 배터리의 에너지 밀도, 사이클 수명 및 안정성을 향상시키기 위한 혁신적인 양극 소재를 개발하고 평가합니다. 국내외 화학기업, 이차전지기업, 자동차기업들과 함께 상용화 기술에 대한 이해와 경험을 바탕으로 핵심 기술에 대한 연구 개발을 수행하고 있습니다. 더불어, 미래형 배터리 시스템을 탐색하고 현실화합니다. 저희는 이러한 혁신적인 배터리 소재를 활용하여 미래를 위한 보다 친환경적인 세상을 만들기 위해 노력하고 있습니다.

Q. 직면하고 있는 가장 중요한 과제는 무엇입니까? 해결해야 할 과제는 무엇입니까?

Li[NixCoyMn1-x-y]O2 (NCM) 음극의 Ni함량이 60% 이상 증가함에 따라 H2-H3 상전이 동안 급격한 격자 체적 변화에 의해 유도된 이방성 변형의 축적으로 미세균열의 범위가 급격히 증가합니다. Ni-rich 음극 입자의 결과적인 미세 균열은 전해질이 입자 내부로 침투하는 채널을 생성하여 전해질 공격에 노출되는 표면적을 증가시킬 수 있습니다. 증가된 표면적은 Ni-rich 음극 재료의 열화를 억제하기 위해, 저희 연구실은 격자 부피 변화로 인한 내부 변형을 분산시킬 수 있는 미세 구조의 수정에 중점을 두고 있습니다.

양극재의 미세구조는 주로 수산화물 전구체와 하소 공정에 의해 결정됩니다. 수산화물 전구체와 수산화리튬의 혼합물을 고온(700~800oC)에서 소성하면 Li+ 이온을 (탈)삽입할 수 있는 층상 결정 구조가 형성됩니다. 그러나, 하소 동안 1차 입자의 조대화는 미세균열 형성에 대한 음극의 기계적 안정성을 약화시키는 미세구조를 파괴할 수 있습니다. 한편 1차 입자 형태를 조정하기 위해 하소 온도 또는 담금 시간을 제한하면 음극의 완전한 결정화가 방지됩니다. 후속 양이온 혼합은 순환 거동을 악화시킬 수 있습니다. 따라서 양극재의 조대화 없이 완전한 결정화를 달성하는 것이 해결해야 할 중요한 과제 중 하나입니다.

Q. 어떤 접근법/솔루션이 고려되었으며 평가 프로세스 및 선택에 대해 설명해 주시겠습니까?

일반적으로 하소 동안 수산화물 전구체가 완전히 결정화되는 최적의 온도가 존재합니다. 고온은 안티 사이트 결함과 같은 구조적 열함을 어닐링할 수 있는 반면 지나치게 높은 온도는 Li 결핍 및 양이온 혼합을 유도합니다. Li+ (0.076 nm)와 Ni2+ (0.069 nm)의 반경이 비슷하기 때문에 Li/Ni 사이트 교환의 결과인 양이온 혼합 정도는 층상 구조의 결정성을 판단하는 데 사용할 수 있습니다. 주사전자현미경(SEM)에서 얻은 음극 입자의 미세 구조와 구조 정보 및 각각의 전기화학적 성능을 결합하여 음극 물질의 최적 하소 온도를 결정합니다.

Q. Malvern Panalytical XRD를 사용하기 전에는 어떤 특성화 기술을 사용하셨습니까?

XRD를 사용하기 전에는 포항에 있는 입자가속기를 이용한 XRD 분석을 수행했습니다. 또한 원자 규모의 결정 구조를 확인할 수 있는 전이전자현미경(TEM) 분석을 수행했습니다.

Q. Malvern Panalytical 장비를 선택한 이유는 무엇이며 제조/연구/개발 프로세스에 어떻게 적합하다고 보십니까?

XRD는 많은 결정 구조 정보를 제공하는 기본 분석이기 때문에 실험실에 설치할 수 있는 작고 강력한 XRD 분석 장비가 필요했습니다. Malvern Panalytical XRD 시스템은 분말 시료뿐만 아니라 파우치형 세포도 분해하지 않고 분석할 수 있습니다. 전지의 현장 XRD 분석은 전지 충전/방전 시 상세한 구조적 변화를 제공할 수 있습니다. Ni-rich 양극재의 용량 감소 메커니즘은 급격한 구조 변화가 일어나는 H2-H3 상전이에 의해 크게 결정되므로, 셀을 분해하지 않고 음극의 구조 변화를 분석하는 것은 고에너지 Ni-rich 양극재 개발에 중요한 포인트입니다.

Q. Malvern Panalytical은 연구에 어떻게 도움이 되고 있습니까? 사용중인 Malvern Panalytical의 장비는 무엇입니까? 해당 장비를 통해 어떤 결과값을 얻고 계십니까?

저희 연구실은 반사 및 투과 모드로 분석할 수 있는 XRD floorstanding ‘Empyrean’ 장비를 보유하고 있습니다. 반사 모드는 음극 분말 샘플을 분석하여 격자 매개변수와 층을 결정하는 데 사용됩니다. 투과 모드는 많은 구성 요소(전극, 분리막, 알루미늄 파우치 등)로 구성된 파우치형 셀을 분석하는 데 사용됩니다. 셀을 충방전할 때 양극재의 구조 변화에 따른 피크의 이동을 분석합니다. 예를 들어, 양극재의 화학적 조성에 따른 격자 파라미터의 변화를 리트벨트 정제(rietveldrefinement)로 분석할 수 있습니다. 또한, H2-H3 상전이 동안 H2 및 H3 피크에서 디컨볼루션(003)반사를 통해 양극 재료의 구조적 가역성을 비교할 수 있습니다. XRD분석으로 얻은 양극 재료의 구조 정보는 우리의 기대에 잘 부합하고 있습니다.

Q. Malvern Panalytical의 장비를 사용함으로써 입증된 실제 이점은 무엇입니까?

직관적인 인터페이스로 정확한 분석이 가능합니다. 또한 용도에 따라 다양한 액세서리 활용이 가능하다는 것이 장점입니다.

Q. Malvern Panalytical의 장비는 미래에 어떻게 기여하며, 시스템 응용 프로그램의 추가 개발 또는 확장이 있을 것으로 예상하십니까?

저희 연구실에서는 고온 반응기 챔버를 사용하여 TR(Time-resolved)-XRD 분석을 수행할 예정입니다. TR-XRD 분석을 통해 실제 하소 공정과 유사하게 열처리 시 상변화를 실시간으로 분석할 수 있습니다.

Q. 향후 업무를 위해 Malvern Panalytical과 협력하는 것에 대해 어떻게 예상하십니까?

결정구조가 전기화학적 성능과 크게 연관되는 양극재 분석뿐만 아니라, 차세대 전지소재(전고체전지, 리튬황전지)에서도 결정 구조 분석에 큰 도움이 될 것으로 예상합니다.

더 읽을 거리

High-quality in operando X-ray diffraction analysis of pouch bag lithium-ion batteries

Crystalline phase analysis of Lithium ion battery electrode materials

In-operando XRD helps KETI build better batteries

Ask an expert – Best practices for operando-XRD experiments on batteries on a laboratory instrument

Augment your battery research with dedicated non-ambient in-operando XRD


View all articles