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Introduction
신에너지, 특히 차량 산업 및 스마트 웨어러블 기기 분야의 급속한 발전으로 인해 리튬 배터리의 음극 재료에 대한 연구와 생산이 점차 전 세계적으로 주목받고 있습니다.
주요 연구 분야 중 하나는 높은 용량, 긴 수명, 높은 안전 성능, 그리고 저비용을 갖춘 리튬 이온 배터리 음극 재료의 개발입니다.
이 분야에 대한 노력은 배터리 산업의 주류 초점이 되었으며 빠른 발전 상태에 있습니다. 통계에 따르면 2021년 1월 초, 차량 산업에서 리튬 이온 배터리는
완전 생산 일정에 있었으며, 연말 주문이 급증했습니다. 이는 고성능 원재료, 특히 리튬 이온 배터리 음극 재료 공급의 부족을 초래했습니다.
일반적으로, 리튬 이온 배터리의 음극 재료에는 리튬 인산철, 리튬 코발트 산화물, 탄산리튬, 고니켈 삼원계 재료 등이 포함됩니다.
모든 음극 재료 입자의 입자 크기 및 크기 분포는 이러한 배터리의 충전 및 방전 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
따라서 리튬 이온 배터리 개발 및 생산 과정에서 음극 재료의 입자 크기 분포를 측정하는 것은 매우 중요합니다.
리튬 인산철은 리튬 이온 배터리에서 흔히 사용되는 음극 재료입니다. 그 입자 크기 분포는 리튬 이온 배터리 내에서 리튬 인산철의 가공 및 응용 성능을 결정합니다.
이 응용 노트에서는 Bettersizer 2600 레이저 입자 크기 분석기를 사용하여 5 개의 리튬 인산철 샘플의 입자 크기 분포를 측정했습니다.
Bettersizer 2600 laser particle size analyzer
Particle size distributions of lithium iron phosphate particles
Figure 1. Particle size distribution of lithium iron phosphate particles
Typical particle size values of lithium iron phosphate particles
Table 1. Typical particle size values of lithium iron phosphate
Figure 1에서 보이는 바와 같이, 리튬 인산철 A, B, C의 평균 입자 크기는 D 와 E 의 평균 입자 크기보다 훨씬 작았습니다.
일반적으로, 리튬 인산철의 평균 입자 크기는 리튬 이온 배터리의 전기화학적 특성에 큰 영향을 미칩니다.
작은 입자는 리튬 이온 배터리의 활성 물질의 비표면적을 증가시키고 배터리 내 리튬 이온의 확산 경로를 단축하여
리튬 이온 배터리의 전기화학 반응성을 촉진합니다.
그러나 리튬 인산철의 입자 크기가 지나치게 작으면 입자가 쉽게 응집되어 전자 전도도와 solid phase diffusion coefficient (고체 상 확산 계수) 가 감소하게 됩니다.
이로 인해 리튬 이온 배터리의 내부 저항이 증가하고, 높은 내부 저항의 영향으로 일부 전류가 열에너지로 변환됩니다.
이는 리튬 이온 배터리에서 상당한 열 손실을 유발하며, 결국 배터리의 용량과 방전 성능에 영향을 미칩니다.
한 저명한 리튬 인산철 제조업체의 피드백에 따르면, 대부분의 리튬 인산철 제품의 D50 (중앙 입자 크기) 은 1μm 에서 2.5μm 범위에 있습니다.
이 크기 범위에서 전기화학적 특성이 최적의 상태를 보이며, 이는 리튬 이온 배터리의 효과적인 방전 성능을 최적화하는 데 유리한 것으로 나타났습니다.
반면, 소량의 리튬 인산철 입자는 D 와 E 샘플과 같이 3.5μm 에서 8μm 범위에 위치하며, 이는 높은 내부 저항과 낮은 전기화학적 특성을 초래하여
배터리의 예상수명, 사용 가능한 용량, 충전 및 방전 속도, 안전성을 감소시킵니다.
Table 1 에서 볼 수 있듯이, 리튬 인산철 A, B, C 의 평균 입자 크기는 약 1μm 인 반면, D 와 E 의 평균 입자 크기는 4μm 에서 10μm 사이였습니다.
샘플 E 의 경우, 과도하게 큰 입자는 활성 물질 내 리튬 이온의 solid phase diffusion coefficient (고체 상 확산 계수) 를 저하시켜 내부 저항이 증가하고,
결과적으로 효과적인 충전 능력이 감소할 수 있습니다.
Multiple measurements of the same lithium iron phosphate sample
Figure 2. Repeatability test of sample A
Figure 2 에서 볼 수 있듯이, Bettersizer 2600 을 사용하여 리튬 인산철의 입자 크기를 여러 번 측정한 결과, 우수한 반복성을 보였습니다.
D10, D50, D90 에 대한 결과값의 재현성 값은 각각 0.13%, 0.07%, 0.09% 로, 이는 ISO 13320 요구 사항을 훨씬 밑도는 수준입니다.
따라서 Bettersizer 2600 을 사용하여 리튬 인산철의 입자 크기 분포를 측정하는 것은 재현성이 탁월한 데이터를 구할 수 있다는 것을 의미합니다.
Conclusion
리튬 이온 배터리 음극 재료의 입자 크기 분포는 배터리 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 특정 음극 재료와 셀 크기에 대해 음극 재료의 입자 크기 분포를 조정하면
리튬 배터리의 에너지와 출력 성능을 최적화할 수 있습니다.
높은 에너지 저장, 안정성 및 안전 성능을 달성하기 위해서는 리튬 배터리 음극 재료의 입자 크기 분포를 엄격히 제어하는 것이 필요합니다.
따라서 배터리 제조업체가 Bettersizer 2600 레이저 입자 크기 분석기를 사용하여 전극 재료의 입자 크기 분포를 빠르고 쉽게 측정할 수 있는 것이 중요합니다.
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