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Exploring Particle Size Distribution in Silicon / Carbon Composite Anode for Lithium-ion Batteries |
Introduction
신에너지 저장 장치 (휴대용 장치 및 전기차) 의 급격한 발전과 함께, 핵심 부품인 전력 배터리에 대한 고에너지 밀도 요구가 증가하고 있습니다.
배터리 기술, 특히 양극재와 음극재 분야의 최근 발전은 배터리 에너지 밀도 향상에 중요한 역할을 하고 있습니다.
특히, 실리콘 기반 음극은 기존 음극에 비해 더 높은 특정 용량과 더 큰 지속 가능성을 제공하며 두드러지게 주목받고 있습니다.
풍부하고 널리 이용 가능한 자원인 실리콘의 활용은 유한한 천연 자원에 대한 의존도를 줄일 가능성을 제공합니다.
이는 실리콘 기반 음극을 차세대 전력 배터리의 최적 선택으로 자리매김하게 하며, 지속 가능하고 효율적인 에너지 저장 솔루션의 미래를 약속합니다.
실리콘 기반 음극의 한 종류인 Silicon/Carbon 복합 재료는 신에너지 배터리에 높은 특정 용량을 제공합니다.
이러한 혁신적인 음극의 일반적인 구조는 그림 1에 나타나 있습니다. 그러나 이러한 재료는 짧은 사이클 수명과 낮은 전도성 같은 문제에 직면하고 있습니다.
이를 해결하기 위해 적절한 특정 표면적과 높은 탭 밀도를 가진 활성 물질을 설계하는 것이 필요합니다.
Silicon/Carbon 복합 미세구체를 최적화할 때, 입자 크기와 분포와 같은 주요 매개변수는 탭 밀도와 특정 표면적에 큰 영향을 미치며,
이는 결과적으로 사이클 수명, 전도성, 그리고 배터리 에너지 밀도에 영향을 미칩니다.
본 애플리케이션 노트는 하나의 실리콘/탄소 복합 샘플 배치의 입자 크기 분포를 정밀하게 검사하며, 탁월한 균일성을 갖춘 음극 소재를 위한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
Figure 1. Structural model of silicon/carbon micro-sized anodes
Measurement Design
음극 재료의 입자 크기를 레이저 입도 분석기를 사용하여 측정할 때, 입자 응집을 방지하고 액체 내에서 더 균일한 분산을 보장하기 위해 적절한 분산 용매를 선택하는 것이 중요합니다.
일반적으로 입도 분석을 위한 좋은 분산제는 샘플과 반응하지 않아야 하며, 일관된 분산을 제공하고 suspension 의 안정성을 유지하는 등의 특성을 가져야 합니다.
이소프로판올은 실리콘 기반 샘플에서 일반적으로 사용되는 유기 용매로, 낮은 표면 장력을 가지고 있어 입자의 분산이 고르게 되도록 하는 특성을 가지고 있습니다.
BT-80N 내식성 습식 분산 장치는 유기 용매를 매개체로 사용한 입자 크기 측정에 적합하게 설계되었으며, 다음과 같은 일반적인 유기 용매에 적합합니다.
Table 1. Common organic solvents used in BT-80N
샘플 테스트와 분산제의 요구사항을 고려하여, 본 연구에서는 Bettersizer 2600 과 BT-80N 을 활용하여 정확하고 신뢰할 수 있는 입자 크기 측정을 진행하고자 합니다.
이 실험에 사용된 재료는 이소프로판올에 분산된 5가지 종류의 Silicon/Carbon 복합 음극재입니다.
Bettersizer 2600 with BT-80N
Results and Discussion
Particle Size Distribution Analysis
실리콘 기반 음극 샘플의 입자 크기와 분포는 Bettersizer 2600 과 BT-80N 을 사용하여 측정하였습니다. Figure 2 는 5개 샘플의 입자 크기 분포를 나타내며, Table 2 는
해당 샘플들의 대표적인 입자 크기 값을 보여주고 있습니다.
5개 샘플의 중간 크기 값 (D50) 은 각각 5.808 μm, 6.130 μm, 7.228 μm, 11.010 μm, 26.690 μm입니다.
입자 크기 분포의 D50 은 누적 빈도가 50%에 해당하는 입자 크기를 나타내며, 이는 음극 소재의 충방전 과정, 사이클 수명, 안정성을 평가하는 데 중요한 대표 매개변수로 사용됩니다.
Figure 2. Particle size distribution of silicon/carbon anode
Table 2. Typical particle size values of silicon/carbon anode
앞서 언급했듯이, Specific Surface Area 는 리튬 이온 배터리의 사이클 수명과 관련이 있으며, 또한 입자 크기와 반비례 합니다.
이번 테스트 결과를 보면, Bettersizer 2600 은 동일한 공정으로 제조된 이 미세 크기 음극재의 입자 크기와 분포를 정확하게 모니터링하는 데 뛰어난 성능을 보여준다는 것을 알 수 있습니다.
이러한 측정은 탁월한 해상도 능력을 확인시켜줄 뿐만 아니라 Specific Surface Area 의 최적화 및 사이클 수명 연장에 효과적이란 것을 보여주는 것입니다.
더불어, Silicon/Carbon 복합 음극에서 고르지 않은 입자 크기 분포는 충분한 탭 밀도를 확보하지 못하게 하고, 이로 인해 에너지 밀도가 낮아질 수 있습니다.
따라서, 상대적으로 균일한 입자 크기 분포에 초점을 맞추는 것이 실리콘 기반 음극에 매우 중요합니다.
분석에 따르면, 샘플 C 는 가장 좁은 입자 크기 분포를 보여주며, 5개의 샘플 중 가장 균일한 입자 분포를 가진 것으로 나타났습니다.
Repeatability Assessment
샘플 C 의 재현성 평가에서, Figure 3 은 BT-80N 이 장착된 Bettersizer 2600 으로 여러 번 측정한 결과가 일관되게 나타나는 것을 보여줍니다.
D10, D50, D90 의 반복성 값은 각각 0.11%, 0.03%, 0.09% 로, 이는 ISO 13320 에 명시된 허용 한계를 크게 밑돕니다.
따라서 실리콘 기반 음극의 입자 크기 분포 분석에 Bettersizer 2600 을 사용하면 뛰어난 재현성을 가진 결과를 구할 수 있다는 것을 이야기하고 있습니다.
Figure 3. Repeatability test of sample C
Conclusion
Silicon/Carbon 복합재의 장점을 극대화하고 에너지 밀도를 향상시키기 위해, 이 재료의 입자 크기와 분포에 초점을 맞추는 것이 중요합니다.
Bettersizer 2600 과 BT-80N 의 조합은 미세 크기 음극재에 대해 정확하고 일관된 결과를 제공하는 데 있어 그 효과를 입증합니다.
본 실험에 의하면, 5개 샘플의 D50 값은 각각 5.808 μm, 6.130 μm, 7.228 μm, 11.010 μm, 26.690 μm입니다.
또한, 샘플 C 의 재현성 수치는 ISO 13320 에 명시된 한계보다 훨씬 낮아 뛰어난 성능을 보여줍니다.
이는 유기 용매를 사용한 입자 크기 측정에서의 성능이 우수하다는 것을 이야기 하는 것이며, 실리콘 기반 음극을 최적화하여 에너지 밀도 향상 및 배터리 성능 개선을 위한 귀중한 방향성을 제공합니다.
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