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Investigating the Particle Size and Shape Influences on Anode Energy Density of Lithium-Ion Batteries |
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Introduction
lithium-ion battery (LIB) 는 긴 저장 수명, 메모리 효과가 없고, 자가 방전률이 낮다는 장점으로 인해 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
전기 제품에서 LIB 수요가 급격히 증가함에 따라 더 많은 에너지를 저장할 필요성으로 인해 더 높은 에너지 밀도의 배터리 생산이 제조업체들의 주목을 받고 있습니다.
양극재의 에너지 밀도는 흑연 (graphite) 의 입자 크기와 형상을 최적화함으로써 크게 향상될 수 있습니다.
기본적으로 흑연의 적절한 입자 크기는 약 20μm 이며, 이 크기에서 배터리는 더 나은 에너지 저장 용량을 가집니다.
또한 에너지 저장은 흑연의 원형도 (circularity) 에 직접적으로 영향을 받습니다. 원형도가 높은 흑연 입자는 더 높은 충진 밀도를 가지게 됩니다.
더 많은 에너지를 저장하기 위해 흑연의 최적 충진 밀도는 1 g/mL 이상이어야 합니다.
Bettersize 연구소는 Bettersizer S3 Plus 를 사용하여 흑연의 입자 크기와 형상이 LIB 의 에너지 밀도에 얼마나 큰 영향을 미치는지 조사하는 실험을 수행했습니다.
Figure 1. Optical System of the Bettersizer S3 Plus
Results
Particle Size Distribution
흑연 샘플의 입자 크기와 입도 분포는 Bettersizer S3 Plus를 사용하여 레이저 회절 방식으로 측정되었습니다.
세 가지 샘플의 입도 분포는 그림 2에 나와 있으며, 대표적인 크기 값은 표 1에 제시되어 있습니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이, 샘플 A에서 샘플 C로 갈수록 입자 크기가 점차 증가하는 것을 알 수 있습니다.
세 샘플의 중앙값(D50)은 각각 6.804 μm, 15.98 μm, 23.72 μm입니다.
Figure 2. Particle size distribution of three graphite samples
Table 1. Typical particle size values of graphite samples
입자 크기는 lithium-intercalation 성능에 영향을 미치며, 이는 리튬 이온 배터리의 초기 가역 용량, 비가역 용량, 그리고 주기 성능에 반영됩니다.
연구에 따르면 입자 크기가 증가함에 따라 초기 비가역 용량은 감소합니다. 가역 용량은 입자 크기가 증가함에 따라 상승하며, 20μm에서 최고치를 기록합니다.
13 - 80μm 흑연 샘플 중에서 20μm 흑연 샘플이 에너지 축적 성능이 가장 뛰어난 것으로 나타났습니다 [1].
샘플 B와 샘플 C는 D50 값이 20μm에 근접하여 샘플 A보다 에너지 저장 성능이 더 뛰어날 것으로 기대됩니다.
Particle Shape
Bettersizer S3 Plus 는 동적 이미지 분석만으로 입자의 형태 파라미터를 분석할 수 있습니다.
세 가지 흑연 샘플의 원형도가 측정되었으며, 결과는 표 2에 나와 있습니다.
세 흑연 샘플의 중간 원형도(C50)는 각각 0.862, 0.896, 0.876입니다. 샘플 B의 충진 밀도는 1.01 g/mL 로 다른 두 흑연 샘플보다 높습니다.
Table 2. Circularity and tapped density of graphite samples
양극은 높은 체적 에너지 밀도를 가질 때 더 많은 에너지를 저장할 수 있으며, 이는 충진 밀도의 영향을 받습니다.
양극 제조에서 구형 흑연의 이상적인 충진 밀도는 1 g/mL 이상이어야 합니다 [2].
충진 밀도는 입자 크기가 증가함에 따라 증가하므로, 샘플 A는 가장 작은 입자 크기와 가장 낮은 충진 밀도를 가집니다.
입자 크기뿐만 아니라 원료의 형태도 충진 밀도에 영향을 줄 수 있습니다.
연구에 따르면 충진 밀도는 원형도와 양의 상관관계가 있으며 [3], 이는 샘플 B(1.01 g/mL)가 샘플 C(0.95 g/mL)보다 더 큰 충진 밀도를 가진다는 것을 의미합니다.
충진 밀도와 입자 크기 결과에 따르면, 세 가지 샘플 중 샘플 B가 가장 뛰어난 에너지 저장 용량을 가질 것으로 예상됩니다.
Repeatability
재현성은 입자 크기 측정에서 중요한 파라미터입니다. 그림 3에 따르면, 샘플 C의 세 번의 반복 측정에서 입도 분포가 거의 동일하게 나타났습니다.
Figure 3. Repeatability of Sample C
Table 3. Repeatability of typical particle size values
Table 3은 샘플 C 의 대표적인 값들의 재현성을 보여줍니다. D10, D50, D90 값의 재현성은 각각 0.28%, 0.08%, 0.33%입니다.
Bettersizer S3 Plus는 높은 결과 재현성으로 신뢰할 수 있는 장비입니다.
Conclusion
입자 크기와 형상은 리튬 이온 배터리(LIB) 양극의 에너지 저장 용량을 결정하는 두 가지 주요 요소로, 제조 공정의 효율성을 향상시키기 위해
이를 최적 범위 내에서 모니터링하고 제어해야 합니다. 중국 표준 GB/T 38887-2020에 따르면, 흑연의 원형도는 동적 이미지 방식으로,
입자 크기는 레이저 회절 방식으로 측정해야 합니다 [4].
기존 방법은 입자 크기와 형상 결과를 각각 얻기 위해 최소 두 개의 장비가 필요합니다.
Bettersizer S3 Plus는 레이저 회절과 동적 이미지 기술을 하나의 장비에 결합하여, 제조업체가 한 번의 측정으로 입자 크기와 형상 결과를 얻을 수 있는 최적의 선택입니다.
Reference
[1] Chen, J., Zhou, H., Chang, W., & Ci, Y. (2003). Effect of Particle Size on Lithium Intercalation Performance of Graphite Anode. Acta Physico-Chimica Sinica, 19(03), 278-282.
[2] Yan, C., Zhang, M., & Lin, Y. (2015). Effect of Graphite Particle Size on Tap Bulk Density. Non-Metallic Mines, 38(3).
[3] Teng, D., Li, P., Yuan, N., Lyu, J., Chen, J., Lin, L., & Chen, H. (2021). Process para meters optimization of natural graphite spheroidization. China Powder Science and Technology, 27(4).
[4] GB/T 38887-2020 - spherical graphite.
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