더 나은 레이저 회절 입자 크기 테스트를 위한 배터리 재료의 분산 최적화
2024-03-08Application Note
리튬 인산철(LFP) 입자 크기 분포(PSD)를 정확하게 측정하는 것은 배터리 성능을 최적화하는 데 매우 중요합니다. 이 연구에서는 LFP PSD 측정과 관련된 문제를 살펴보고 초음파를 이용한 사전 분산을 통해 맞춤형 솔루션을 제안합니다.
일련의 테스트를 통해 확인된 최적의 사전 분산 설정에는 510W에서 1분 동안 초음파를 사용하는 것이 포함됩니다. 이 접근 방식은 D100 값이 10.27μm인 안정적인 PSD를 생성하고 ISO 13320 표준을 준수하는 우수한 반복성을 보여줍니다. 이 접근 방식을 통해 연구자와 엔지니어는 LFP 배터리 성능을 최적화하고 지속 가능한 에너지 솔루션의 개발을 가속화할 수 있습니다.
| 제품 | 베터사이저 2600 |
| 산업 분야 | 배터리 및 에너지 |
| 샘플 | 리튬 인산철(음극, 배터리) |
| 측정 유형 | 입자 크기 |
| 측정 기술 | 레이저 회절 |
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소개
급성장하는 전기 자동차(EV) 혁명은 고성능의 지속 가능한 에너지 솔루션의 개발에 달려 있습니다. 그러나 주행 거리의 한계는 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 리튬 이온 배터리가 유망한 대안으로 떠오르고 있지만, 뛰어난 안전성과 경제성으로 찬사를 받고 있는 리튬 인산철(LFP) 배터리는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 또는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA)에 비해 중력 에너지 밀도가 낮다는 상충 관계에 직면해 있습니다. 이는 주행 거리 감소와 충전 시간 연장으로 이어져 전기차에 LFP 배터리가 널리 채택되는 데 걸림돌이 됩니다.
다행히도 LFP 배터리 재료의 입자 크기를 세심하게 조정하는 것이 관건입니다. 배터리 내 LFP 입자의 크기는 배터리 성능에 큰 영향을 미칩니다. LFP 배터리의 작동 메커니즘을 살펴보면 입자 크기가 다음과 같은 측면에서 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있습니다:
1. LFP 양극 입자가 작을수록 부피에 비해 표면적이 더 넓습니다. 표면적이 클수록 더 많은 리튬 이온이 양극 입자와의 반응에 참여할 수 있습니다. 따라서 더 많은 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있어 배터리 크기를 늘리지 않고도 배터리에 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.
2. LFP 입자가 작을수록 더 미세한 다공성 구조를 형성하여 전해질이 음극 구조에 더 쉽게 침투하여 이온 수송이 원활해지고 배터리가 빠르게 충전 및 방전될 수 있습니다.
간단히 말해, 연구원 및 개발 엔지니어는 더 미세한 LFP 양극재 크기를 통해 향상된 에너지 밀도, 가속화된 충전 속도 및 확장된 주행 거리를 구현하는 동시에 LFP 배터리의 고유한 안전성과 비용 효율성을 유지하면서 전기차 산업에 매우 매력적인 배터리로 거듭날 수 있습니다.
하지만 '입자 크기가 얇을수록 배터리 성능이 좋아진다'처럼 간단한 문제는 아닙니다. LFP 입자가 작을수록 사이클링(충전 및 방전) 중에 기계적 성능이 저하되기 쉬우므로 배터리 수명이 단축됩니다. 또한 입자가 작을수록 다공성 구조로 전해질이 더 쉽게 침투할 수 있지만, LFP 입자 사이에 상대적으로 더 많은 빈 공간이 생기면 배터리의 전체 에너지 밀도도 감소합니다. 따라서 높은 표면적의 장점과 긴 수명의 필요성 사이의 균형을 맞추고 에너지 밀도를 활용하려면 최적의 입자 크기를 찾는 것이 중요합니다. 이러한 최적화는 특정 양극재 상태와 배터리의 용도에 따라 달라집니다.
단일 크기의 LFP 입자의 성능 딜레마를 해결하기 위해 최적의 솔루션은 혼합 입자 크기 분포(PSD)에 있을 수 있습니다. 다양한 크기의 입자를 전략적으로 결합하면 각 개별 크기 분획이 제공하는 장점 간의 균형을 쉽게 달성할 수 있습니다. 입자가 작을수록 리튬 이온 상호 작용을 위한 충분한 표면적을 확보할 수 있고, 입자가 클수록 패킹 밀도와 구조적 안정성을 극대화할 수 있습니다. 따라서 우수한 배터리 성능을 위해서는 단일 크기의 LFP 구성 요소이든 복잡한 분산 혼합물이든 상관없이 LFP 재료의 복잡한 PSD를 정밀하게 측정하고 분석하는 것이 LFP 리튬 배터리 공급업체에게 매우 중요해지고 있습니다.
측정 설계
최적의 PSD 제어에는 상당한 어려움이 따릅니다. 레이저 회절 입자 크기 분석기는 체질과 같은 기존 방법과 비교하여 LFP 전극 재료 내의 복잡한 입자 크기 분포를 정확하게 특성화할 수 있는 강력하고 정밀한 솔루션을 제공합니다. 이 고급 기술은 광 회절의 원리를 활용하여 넓은 크기 범위에서 입자 크기를 측정함으로써 연구자에게 매우 정확하고 재현 가능한 데이터를 제공합니다.
고성능 LFP 리튬 배터리에 대한 수요를 충족하기 위해 Bettersize Instruments는 업계에서 정밀한 PSD 측정을 위한 Bettersizer 2600을 제공합니다. 이 기기는 레이저 회절 방법을 최적화하여 0.02~2600μm 범위의 입자 크기를 정확하게 측정합니다. 고유한 광학 설계로 건조 분말부터 습식 슬러리까지 다양한 시료 상태에 대한 다용도성을 제공하며 분산 장치와 공급 장치 간 효율적인 전환이 가능합니다.
이 연구에서는 합성된 미크론 크기의 LFP 입자를 건조 분말 상태의 시료로 채취했습니다. LFP 샘플은 물에 녹지 않기 때문에 물에 분산시켰습니다. 데이터 신뢰성을 극대화하기 위해 Bettersizer 2600 본체와 함께 BT-802 대용량 자동 분산 장치를 사용하여 PSD 측정을 수행합니다. LFP 입자는 물에 비해 밀도가 높기 때문에 침전을 방지하기 위해 교반 속도를 1800rpm으로 설정합니다.
BT-802가 포함된 Bettersizer 2600
측정 무결성 유지: 비정상적인 PSD 및 혼탁 추세 해결
PSD 결과의 신뢰성을 보장하기 위해 동일한 LFP 샘플과 동일한 샘플링 방법을 사용하지만 교반/순환 시간을 달리하여 일련의 테스트를 수행합니다. 다음 그림 1과 같이 시료 현탁액의 교반 및 순환 시간이 길어질수록 PSD 결과는 감소하는 경향을 보인 반면, 불투명도 값은 증가하는 경향을 보였습니다.
그림 1. 비정상적인 PSD 및 불투명도 추세
대부분의 경우, 장시간 교반하면 안정적인 PSD와 일관된 불투명도 값이 나타나는 일반적인 추세가 관찰될 가능성이 높습니다. 그러나 LFP 샘플은 교반 시간이 길어질수록 PSD는 감소하고 불투명도는 증가하는 반직관적인 행동을 보였습니다. 또한 LFP 샘플에서 관찰된 추세는 더 복잡한 시나리오를 시사합니다. 즉, PSD '차별화'는 이중 프로세스를 나타냅니다(그림 2).
- 분산: 10분간 교반한 후에도 입자의 주요 집단이 더 작은 입자로 조각화되고 있습니다. 이는 교반력이 응집체를 완전히 분리하기에 불충분하여 평균 입자 크기가 점진적으로 감소한다는 것을 의미합니다.
- 응집: 더 적은 수의 입자가 더 큰 입자로 응집되어 불투명도가 증가합니다.
그림 2. PSD '차별화' 현상
이 역설적으로 보이는 현상은 불포화 분산이라고도 하는 시료 현탁액 내의 불안정한 상태를 가리키며, 이는 LFP 시료에 대한 기존 교반 분산 방법의 한계를 강조합니다. 교반 메커니즘에 의해 생성된 전단력은 LFP 입자를 하나로 묶는 고유한 응집력을 극복하기에 충분하지 않아 불완전한 분산과 관찰된 '분화' 과정으로 이어집니다.
맞춤형 전처리를 통한 불포화 분산 극복
불포화 분산으로 인한 이 문제를 해결하려면 응집된 입자가 단시간에 분산될 수 있도록 더 많은 분산 에너지가 필요합니다. 여기에는 사전 분산 단계와 측정 중 분산 단계를 포함하는 2단계 분산이 적용될 수 있습니다. 이 경우 LFP 건조 분말과 탈이온수를 혼합하여 더 진한 현탁액을 제조하고, 이 진한 현탁액으로 사전 분산 단계를 진행했습니다.
효과적인 분산을 위한 초음파 에너지 활용
기존 교반 방법의 한계를 극복하기 위해 초음파 처리가 효과적인 사전 분산 단계로 입증되었습니다. 이 기술은 고주파 음파를 사용하여 강력한 전단력을 발생시켜 응집된 LFP 입자를 효과적으로 분리하고 보다 균일한 현탁액을 촉진합니다. 준비된 두꺼운 현탁액을 초음파 처리한 다음 실제 PSD 측정 전에 BT-802로 희석했습니다. 모든 테스트는 안정적인 현탁액을 형성하기 위해 BT-802에 샘플을 추가한 직후에 수행되었습니다.
최적의 사전 분산 전략 찾기:
이 조사에는 다양한 초음파 출력과 지속 시간 조합을 탐색하는 일련의 테스트가 포함되었습니다. 그 결과(표 1)는 안정적인 PSD를 달성하려면 충분한 분산 에너지가 중요하다는 것을 명확하게 보여줍니다. 이 에너지는 초음파 출력을 높이거나 치료 시간을 연장하여 전달할 수 있습니다.
표 1. 다양한 초음파 출력 및 지속 시간 조합의 PSD 일반값
| 파워(W) | 일반적인 값(μm) | 30초 | 1분 | 3분 | 5분 |
| 270W | D10 | 0.328 | 0.327 | 0.324 | 0.325 |
| D50 | 0.817 | 0.773 | 0.758 | 0.762 | |
| D90 | 4.740 | 2.426 | 2.323 | 2.242 | |
| 360W | D10 | 0.330 | 0.327 | 0.326 | 0.324 |
| D50 | 0.813 | 0.757 | 0.746 | 0.752 | |
| D90 | 3.039 | 2.970 | 2.354 | 2.344 | |
| 420W | D10 | 0.324 | 0.324 | 0.324 | 0.324 |
| D50 | 0.731 | 0.728 | 0.729 | 0.724 | |
| D90 | 1.830 | 1.790 | 1.755 | 1.753 | |
| 510W | D10 | 0.325 | 0.326 | 0.324 | 0.324 |
| D50 | 0.724 | 0.722 | 0.721 | 0.719 | |
| D90 | 1.726 | 1.706 | 1.703 | 1.705 | |
| 570W | D10 | 0.325 | 0.325 | 0.325 | 0.325 |
| D50 | 0.719 | 0.715 | 0.718 | 0.719 | |
| D90 | 1.693 | 1.707 | 1.708 | 1.704 |
균형 잡기: 최적의 결과를 위한 510W와 1분
전력과 효율성 사이의 균형을 찾기 위해 1분 동안 510W가 조사 중인 LFP 샘플에 대한 최적의 사전 분산 설정으로 쉽게 확인할 수 있습니다. 이 구성은 입자를 효과적으로 분산시켜 D100 값이 10.27μm인 안정적인 PSD로 이어집니다.
반복성 테스트를 통한 검증:
이 사전 분산 접근법의 신뢰성을 보장하기 위해 6번의 반복 측정을 수행했습니다. 그림 3에 표시된 결과는 우수한 반복성을 보여줍니다. D10, D50, D90 값의 표준 편차는 각각 0.12%, 0.05%, 0.09%로 매우 낮게 나타나 ISO 13320 요구 사항을 완벽하게 준수하고 있음을 입증했습니다.
그림 3. PSD 측정 절차의 반복성 테스트
결론
LFP 입자 크기 분포의 정밀한 제어는 배터리 성능에 중추적인 역할을 합니다. 베터사이저 2600으로 대표되는 레이저 회절 분석은 리튬 배터리 산업에서 PSD를 모니터링하는 데 유용한 도구를 제공합니다. 그러나 고유한 분산 문제가 있는 LFP 재료의 경우, 여기에 설명된 초음파 방법과 같은 최적화된 사전 분산 절차의 구현이 필수적입니다. 이 연구는 이 접근법의 효과를 입증하여 안정적이고 신뢰할 수 있으며 반복 가능한 PSD 측정을 달성할 수 있는 능력을 보여줌으로써 궁극적으로 연구자와 엔지니어가 LFP 배터리 성능을 최적화할 수 있도록 지원합니다.
저자 소개
 | 웨이첸 간 애플리케이션 엔지니어 @ 베터사이즈 인스트루먼트 |
| SEVEN 배터리 애플리케이션 노트 모음에서 고성능 리튬 이온 배터리의 비밀을 알아보세요. (PDF) |  |
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