AutoPore V는 리튬 이온 배터리 분리막과 전극의 특성 분석에 사용할 수 있는 수은 기공 분석법을 사용합니다. 이 고유한 기술은 안전성, 에너지 밀도 및 더 긴 사이클 수명에 중요한 속성의 속도, 정확성 및 특성화를 제공합니다. MicroActive 소프트웨어는 사용자가 데이터를 쉽게 포함하거나 제외하고, 대화형으로 실험적으로 수집한 데이터 포인트의 원하는 범위를 맞추고, 계산 막대를 움직여 데이터를 대화형으로 평가할 수 있게 해줍니다.

이 애플리케이션 노트에서는 리튬 이온 배터리 분리막의 기공 구조를 특성화하기 위해 AutoPore V와 MicroActive 소프트웨어를 사용하는 테스트 방법론을 설명합니다.

리튬이온 배터리는 전기화와 관련된 재생 가능하고 지속 가능한 산업 솔루션을 향한 추세에서 핵심적인 역할을 할 첨단 에너지 저장 기술입니다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 긴 수명으로 인해 리튬 이온 배터리의 채택을 주도하고 있습니다. 분리막은 리튬 이온 배터리에서 양극과 음극을 기계적으로 분리하는 동시에 리튬 이온 함유 전해질의 이온 전도도를 극대화하는 중요한 구성 요소입니다. 분리막의 설계와 성능은 배터리의 용량, 수명, 안전 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

분리막은 액체 전해질을 담을 수 있는 충분한 다공성을 가져야 하지만 과도한 다공성은 기공이 닫히는 기능을 방해하여 과열된 배터리를 차단합니다. 기공 크기는 전극 구성 요소의 입자 크기보다 작아야 하고, 균일하게 분포되어 있어야 하며, 구불구불한 구조를 가져야 합니다. 이렇게 하면 양극에서 리튬 수상 돌기의 성장을 억제하는 데 도움이 되는 균일한 전류 분포를 보장할 수 있습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 수은 침입을 사용하는 AutoPore가 혁신적인 배터리 분리막에서 기공과 기공 크기 분포를 모두 측정하는 데 어떻게 사용되는지 보여드립니다.

배터리 분리막 특성 분석 기술

다이어프램이라고도 하는 분리막의 다공성은 일반적으로 수은 침입법으로 직접 측정하며, 다공성 결과는 일반적으로 약 40%~60%입니다. 분리막은 두께가 100µm 미만인 얇은 필름으로, 측정의 통계적 신뢰성을 높이기 위해 테스트 샘플은 샘플 홀더 또는 투과도계에 맞는 크기의 여러 조각으로 구성됩니다. 그러나 다이어프램의 다공성을 테스트하기 위해 수은 침입 방법을 사용하는 경우 이러한 샘플 테스트 조각 사이의 틈새로 수은이 침입할 가능성이 있습니다.

시료 조각 사이의 간극 공간으로 침입하는 것은 재료의 특징이 아닌 매우 큰 기공이 채워진 것처럼 보입니다. 처음에 투과도계는 분석을 시작하기 전에 기공이 채워지지 않도록 매우 낮은 압력에서 수은으로 채워집니다.

점점 더 작은 크기의 모공을 채우기 위해 압력이 작은 단계로 증가하기 때문에 실제 모공이 채워지기 전에 간극 공간이 채워집니다. 이로 인해 겉으로 보이는 기공 부피 분포에 오류가 발생합니다. 이 애플리케이션 노트에서는 분리막의 다공성 분석에 대한 간극 충진의 기여도를 식별하고 제거하는 방법을 설명합니다.

리튬 이온 배터리 분리막의 다공성 이해

기공 구조를 알 수 없는 새로운 분리막 설계를 개발하는 경우 기공 침입이 발생하는 압력 범위도 알 수 없습니다. 이 경우 워시번 방정식에 따라 약 180µm에 해당하는 1.0psia와 같이 낮은 충전 압력으로 분리막 분석을 수행합니다.

D = -4γcosθ /P
γ=485다인/cm(수은 표면 장력)
θ=130°(수은과 분리기 사이의 접촉각)

전체 머큐리 침입 결과에 대한 누적 침입 및 로그 차등 침입 결과

그림 2a와 2b는 각각 분리기에 적용된 압력 및 기공 직경의 함수로서 누적 침입 및 로그 차동 침입을 보여줍니다. 대부분의 분리막의 경우 기공의 크기는 일반적으로 수백 나노미터 미만입니다. 이 예에서 대부분의 기공 부피는 10,000nm(10µm)보다 큰 크기에 기공 부피가 약 6mL/g인 것으로 보입니다. 이는 배터리 분리막에서 예상되는 것보다 훨씬 큰 크기입니다. 분리막의 두께가 얇기 때문에 통계적으로 관련된 기공 크기 분포를 얻으려면 여러 조각을 분석해야 합니다. 적층된 조각을 분석하면 테스트 중인 분리막의 층 사이에 공간이 채워져 다공성이 뚜렷하게 나타납니다. 이 간극 부피는 분리막의 실제 기공 부피의 일부가 아닙니다.

그림 2b의 전체 분석 결과를 다시 살펴보면, 기공 크기가 수천 nm보다 큰 경우와 기공 크기가 작은 경우의 두 가지 영역에서 명백한 기공 침입이 있는 것으로 보입니다. AutoPore 소프트웨어의 MicroActive 기능을 사용하면 기공 충진을 나타내는 침입만 포함하도록 보고서를 편집할 수 있습니다. 컴퓨터 마우스를 사용하여 범위 막대를 이동하기만 하면 포함할 범위를 빠르게 조정할 수 있으며, 그 결과 기공 크기 분포와 밀도 및 다공성 변화가 실시간으로 표시됩니다. 또한 비틀림 계수, 투과성 등 재료 압축성 및 기공 구조 통계도 조정할 수 있습니다.

그림 3에서는 약 2µm(2000nm) 이상의 공간에 대한 침입을 제외하도록 보고서를 편집했습니다. 결과적인 침입 요약은 표 1에 폴리에틸렌 리튬 배터리 분리막에서 예상되는 것처럼 특정 기공 부피 0.7cm³/g, 평균 기공 크기 0.132µm(132nm), 다공성 비율 40%로 표시되어 있으며, 그 결과 계산된 비틀림이 있습니다.

누적 침입 및 로그 차등 침입과 기공 직경 비교

중간 채우기를 제거하도록 편집됨

표 1: 중간 채우기를 제거하기 위한 편집 후 요약.

침입 데이터 및 기공 구조 요약

결과 확인

결론

따라서 분리막의 전체 기공률 측면에서 예상되는 사항에 대한 약간의 시작 지식과 AutoPore V 소프트웨어의 MicroActive 기능을 사용하면 분석 전에 수은이 발생하는 영역을 알지 못하는 경우에도 기공 부피 분포를 최적화하여 간질성 수은 충전을 제거할 수 있습니다.

누적 침입 및 로그 미분 플롯의 모양은 모두 간극 충전과 기공 충전 사이의 구분이 발생하는 위치를 나타내는 데 도움이 됩니다. 누적 곡선은 거의 평평해지고 로그 미분은 동일한 압력 범위에서 상대적인 최소값을 나타냅니다. 세퍼레이터의 골격 밀도를 기반으로 한 결과 기공 부피와 기공 비율은 간극 충전 영역과 기공 충전 영역 사이의 중단점 선택을 확인하는 데 도움이 됩니다.

이 기술은 잘못된 기공 정보를 제거하여 다공성, 기공 부피, 비틀림 계수 등의 기공 특성을 직접 측정할 수 있습니다.