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Investigatioin of the Particle Size and Shape Influences on Anode Energy Density of Lithium-Ion Batteries |
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Introduction
Lithium Ion Battery (LIB) 는 저장 수명이 길고, 메모리 효과가 없으며, 낮은 자기 방전율 등의 장점으로 인해 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
전자 제품에서 LIB 수요가 급격히 증가함에 따라 더 높은 에너지 밀도를 가진 배터리의 생산이 제조업체의 주목을 받고 있으며, 이는 더 많은 에너지를 저장해야 하는 요구 때문입니다.
Graphite 의 입자 크기와 모양을 최적화함으로써 음극의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
기본적으로 흑연의 적절한 입자 크기는 약 20μm 로, 이 크기에서 배터리는 더 나은 에너지 저장 용량을 가질 수 있습니다.
또한 에너지 저장은 흑연의 Circularity (원형도) 에 직접적인 영향을 받습니다.
원형도가 높은 흑연 입자는 더 높은 Tapped Density (탭 밀도) 를 제공하며, 더 많은 에너지를 저장하려면 흑연의 최적 탭 밀도가 1g/mL 이상이어야 합니다.
Bettersize 사의 실험실은 Bettersizer S3 Plus 를 사용하여 입자 크기와 모양이 LIB 의 에너지 밀도에 얼마나 큰 영향을 미치는지 조사하기 위한 실험을 진행했습니다.
Results
Particle Size Distribution
Figure 1. Optical System of the Bettersizer S3 Plus
Laser Diffraction 기법을 기반으로 하는 Bettersizer S3 Plus Particle Size & Shape Analyser 를 이용하여 흑연 샘플의 입자 크기와 입자 크기 분포를 측정하였습니다.
세개 샘플의 입자 크기 분포는 Figure 2 에 나타나 있으며, 대표적인 크기 값은 Table 1 에 제시되어 있습니다.
Figure 2 에서 알 수 있듯이, 입자 크기는 샘플 A에서 샘플 C로 갈수록 점차 증가합니다.
세개 샘플의 중간 크기 값 (D50) 은 각각 6.804 μm, 15.98 μm, 23.72 μm로 나타났습니다.
Figure 2. Particle size distribution of three graphite samples
Table 1. Typical particle size values of graphite samples
입자 크기의 변화는 Lithium-intercalation Performance 에 영향을 미치며, 이는 Initial Reversible Capacity, Irreversible Capacity, 그리고 LIB 의 Cyclic Performance 에 영향을 미치게 됩니다.
연구에 따르면, 입자 크기가 증가함에 따라 초기 Irreversible Capacity 는 감소합니다. Reversible Capacity 은 입자 크기가 증가함에 따라 증가하며, 20μm 에서 최고치를 기록합니다.
20μm 크기의 흑연 샘플은 13~80μm 범위의 흑연 샘플 중에서 가장 우수한 에너지 축적 성능을 나타냅니다.
샘플 B와 샘플 C 는 D50 값이 20μm 에 가까워, 에너지 저장 성능에서 샘플 A보 다 우수할 것으로 예상됩니다.
Particle Shape
Bettersizer S3 Plus는 동적 이미지 분석만을 사용하여 Shape Parameter 를 분석할 수 있습니다.
세 가지 흑연 샘플의 원형도 (Circularity) 측정 결과는 표 2에 나타나 있습니다.
세 가지 흑연 샘플의 중간 원형도(C50)는 각각 0.862, 0.896, 0.876입니다.
샘플 B의 탭 밀도(1.01 g/mL) 는 다른 두 흑연 샘플보다 높습니다
Table 2. Circularity and tapped density of graphite samples
양극은 부피 에너지 밀도가 높을수록 더 많은 에너지를 저장하는 경향이 있으며, 이는 탭 밀도에 의해 영향을 받습니다.
양극 제조에서, 구형 흑연의 이상적인 탭 밀도는 1 g/mL 이상입니다.
입자 크기가 증가함에 따라 탭 밀도도 증가하므로, 샘플 A 는 가장 작은 입자 크기와 가장 낮은 탭 밀도를 가지고 있습니다.
입자 크기뿐만 아니라 원료의 형상 또한 탭 밀도에 영향을 미칠 수 있습니다.
연구에 따르면, 탭 밀도는 원형도와 양의 상관관계를 가지며 D90(μm) 값이 10.49, 27.18, 23.72, 39.98로 나타났습니다.
이를 바탕으로, 샘플 B (1.01 g/mL) 는 샘플 C (0.95 g/mL) 보다 더 높은 탭 밀도를 가진 것으로 해석됩니다.
탭 밀도와 입자 크기 결과를 기반으로 할 때, 샘플 B는 세 가지 샘플 중에서 가장 우수한 에너지 저장 용량을 가질 것으로 예상됩니다.
Repeatability
재현성은 입자 크기 측정에서 중요한 매개변수입니다. 그림 3 에 따르면, 샘플 C 의 세 반복 측정 결과는 거의 유사한 입자 크기 분포를 보여줍니다.
Figure 3. Repeatability of Sample C
Table 3. Repeatability of typical particle size values
Table 3 은 샘플 C 의 대표 값에 대한 재현성을 보여줍니다. D10, D50, D90 크기 값에 대한 재현성은 각각 0.28%, 0.08%, 0.33% 로 나타났습니다.
Bettersizer S3 Plus는 높은 재현성을 바탕으로 신뢰할 수 있는 장비입니다.
Conclusion
Particle Size 와 Shape 은 LIB (리튬 이온 배터리) 양극의 에너지 저장 용량을 결정하는 두 가지 주요 매개변수로, 제조 공정의 효율성을 향상시키기 위해 최적 범위 내에서 모니터링 및 제어되어야 합니다.
중국 표준 GB/T 38887-2020 에 따르면, 흑연의 원형도와 입자 크기는 각각 동적 이미지 방식과 레이저 회절 방식을 통해 측정해야 합니다.
기존 방법은 입자 크기와 형상 결과를 개별적으로 얻기 위해 최소 두 개의 장비를 필요로 합니다. 하지만 Bettersizer S3 Plus 는 레이저 회절 및 동적 이미지 기술을
하나의 장비에 통합하여, 제조업체가 단일 측정으로 입자 크기와 형상 결과를 얻을 수 있는 최적의 선택입니다.
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