Mastersizer 2000 application note-레이저 회절법을 이용한 배터리 재료들의 입도 분석

 

 자료 다운로드       회원가입

개  요

 배터리 시장은 빠르게 성장하고 있다. 이러한 성장은 휴대폰과 노트북과 같은 휴대용 전자기기들의 무게를 가볍게하고 긴 수명과 안정적인 출력원으로 사용하기 위한 배터리 기술에 큰 발전을 가져왔다. 이러한 기술은 또한 더 가벼운 무게와 높은 파워 그리고 빠른 충전을 필요로 하는 전기자동자 분야에서 각광받고 있다.

 

 일회용과 충전식의 배터리 모두 타당한 가격을 위한 에너지 밀도를 얻기 위하여 다양한 재료들을 사용한다. 이와 함께, 배터리 디자인의 중요한 면은 배터리의 파워와 용량을 정의하는 것처럼 전극 안에서 사용되는 재료들의 입자크기이다. 이 응용노트에서는 우리는 배터리 생산에서 사용하는 일반적인 재료들을 살펴보고, 어떻게 이것들의 입자크기를 레이저 회절법을 사용하여 특성화 할 수 있는지 살펴본다.

 

 





입자 크기 요건

 배터리의 수행능력은 에너지의 양에 따라 저장하거나 생산할 수 있는 힘의 양에 의해 특징지어질 수 있다. 측정한 전지 화학(cell chemistry)과 배터리 크기의 수행능력은 높은 에너지 용량이나 높은 파워를 위해 좋게 만들어 질 수 있다 [2]. 배터리의 파워나 전류 처리용량은 전극과 전해액 사이의 반응률에 좌우된다. 이것이 유효한 표면적을 정의하는 것처럼 전극 재료들의 입자크기 분포에 영향을 받는다. 최대 배터리 파워는 전극 재료의 입자크기의 감소와 표면적의 증가로 늘어날 수 있다.

 

  그러나 배터리의 에너지 저장용량전지안에 포함된 전해액의 용량에 의존한다. 전극과 전해액이 공간 사이에 균형을 이뤄야 한다. 전극 재료의 입자크기 감소는 표면적을 증가시킬 것이다. 하지만 마찬가지로 전극 입자들 사이의 공극률(빈공간)의 크기에도 영향을 미치고, 전체적인 전해액 용량과 배터리 용량의 감소를 초래한다. 만약 이 공극률(빈공간)이 너무 작아지면 전극표면들 사이에 접촉이 일어나 전해질 용량 역시 줄어들게 된다. 이것은 아마 배터리에서의 이온의 유동성을 감소시키고 반응률에 영향을 미치며 배터리의 파워를 감소시킬 것이다. 결과적으로, 큰 입자와 미분입자들의 혼합 표면적을 증가시키기 위해 전극에서 자주 사용되고, 미분입자들의 도입을 통해, 마찬가지로 전극 재료의 전체적인 충진율를 조절한다.이것은 전극과 전해액 사이의 좋은 접촉을 가능케 한다.** [4,5]

  입자의 크기와 분포는 가공밀도와 압축률부터 영향을 미칠 수 있는 중요한 생산중의 요소이다. 이것들은 모두 알카라인 배터리의 생산 중 음극의 형태를 갖추며 압착되는 부분에서 중요한 파라미터이다. 음극 표면의 질에 영향을 미치기 때문에 덩어리의 탐지는 중요할 것이다. 

 

 

입자크기 측정

 

 레이저 회절에 의해 입자크기 정보가 포함된다. Mastersizer 2000싱글렌즈를 사용해 0.02μm 부터 2000μm 의 넓은 범위를 가지는 레이저 회절 기기이다. 액체나 기체에 분산되어 있는 입자는 레이저가 지나가면서 산란을 일으키고 여러 각도로 산란된 레이저는 검출기가 수집한다. 입자크기 정보는 거대한 입자들의 낮은 각도에서의 산란광과 작은 입자들의 높은 각도에서의 산란광의 원리에 따라 얻어진다. 적절한 산란 모델은 이 각 산란 데이터로부터 입자크기 분포를 얻을 수 있다.

 

 Mastersizer 2000 의 넓은 사이즈 범위는 특히 배터리 재료들의 측정에 유용하다. 그리고 나노미터와 마이크로 크기의 입자들의 혼합물이 전극에 사용되고 한번의 분석으로 특성화 할 수 있다. 두 번째로, 레이저 회절은 입자의 부피에 민감하여, 특히 생산공정에서 작은 양의 응집입자로도 문제를 유발할 수 있다.

 

 

결 과

 

리튬-이온 배터리

 

  Mastersizer 2000 을 사용하여 리튬이온 배터리의 두 가지 요소를 특정 지었다: 리튬코발트 산화물과 인산철리튬. 리튬코발트 산화물은 긴 싸이클의 수명과 높은 에너지 밀도를 제공하는 산업표준이다. 그러나 이 재료는 코발트의 유독성 때문에 환경적인 약점을 가지고 있다. 환경에 영향 미치는 이 같은 것은 저비용과 높은 안정성 그리고 빠른 충전 속도를 가진 인산철리튬과에는 문제가 되지 않는다. 그러나, 인산철리튬의 단점은 리튬코발트 산화물과 비교하여 낮은 에너지 밀도를 갖는 것이다.

 

  리튬코발트 산화물과 인산철리튬의 입자크기 분포는 그림 1 에서 나타난다. 이것으로부터, 입자크기의 중간값과 전반적인 분포의 폭을 쉽게 가늠할 수 있다. 리튬코발트 산화물과 인산철리튬 의 Dv50 값은 각각 7.7μm, 11.1μm 이다. 이러한 입자크기분포의 차이점은 특정한 응용분야를 위한 에너지 밀도와 전지크기에 연관될 수 있다.

 

  

알카라인 배터리

 

  이 연구에서 알카라인 배터리의 재료는 음극 재료이다 : 전해 이산화망간(EMD). 그림 2 에서 이산화망간의 세 가지 등급이 측정되었다. 각 시료의 주요 큰 입자들의 크기는 거의 30μm 이며, 미분 입자들의 크기는 약 150nm 쯤 된다. 이와 같은 혼합물은 전극의 표면적을 증가시킴으로써 배터리의 기능을 향상시키는데 사용된다. 세 가지 등급의 EMD 시료 1,2,3 의 모드값은 각각 29 μm, 37.4 μm, 53.13 μm 로 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 모드값이 증가함에 따라 표면적은 증가할 것이다. 그러나 표면적을 증가시키고, 파워출력을 유지하는데 도움이 되는 미분 입자들로 인해 전체적인 균형을 이룰 것이다.

 

  

  모드값의 크기는 사용되어지는 물질의 배터리 크기와 연관이 있다. 큰 배터리는 입자가 큰 전극 재료를 사용한다. 전체 표면적을 크게 하기 위해 음극재료를 미분입자로 만들 필요는 없다. 전해질 용량과 이온의 이동성을 고려하여, EMD 1 은 AA 나 AAA 크기의 배터리에서 사용될 수 있고, EMD 2 와 3 는 용량증가를 위해 C 나 D 크기의 배터리들에 사용될 수 있기 때문이다. [6].

 

결  론

 

  배터리에서 전극 재료들의 입도 분포는 배터리의 성능을 결정하는데 있어서 매우 중요하다. 전극재료의 입도분포는 배터리 에너지와 출력을 최적화 할 수 있도록 조절된다. 높은 에너지 저장을 위해서는 전해액의 용량이 반드시 극대화되어야만 한다. 그러나, 높은 출력을 내기 위해서는 전극의 표면적이 매우 중요하다. 그러므로 배터리 제조회사는 빠르고 쉽게 전극 재료들의 입도 분포를 측정해야 한다. 레이저 회절법은 나노 부터 마이크로 크기까지 광범위하게 혼합되어있는 시료를 단 한번의 측정으로 특성화할 수 있게 최적화 되어 있다. 또한, 레이저 회절법은 부피에 매우 민감하여, 생산공정 중에 문제를 유발할 수 있는 큰 입자나 응집입자들의 존재 여부를 파악하는데 매우 효과적인 방법이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


View all articles