에너지 밀도가 높은 배터리 물질을 개발할 때 발생하는 주요 문제는 사이클 중에 용량이 저하되는 것입니다. 배터리 성능 저하의 원인으로는 입자 균열, 전극 내 리튬 잔류, 전해질 성능 저하, 리튬면 형성, 수지상 형성 등이 있습니다. 따라서 이러한 배터리 성능 저하 메커니즘에 대한 이해는 새로운 배터리 물질의 성공적 개발을 위한 중요한 요소입니다. 

In operandoX선 회절(XRD)은 배터리 사이클 중 기저 결정 구조 변화를 분석하여 이러한 결함 메커니즘을 조사할 수 있습니다. 특히 당사의 Empyrean XRD 플랫폼은 코인 셀 또는 전기화학 셀로부터 파우치 셀과 프리즘 셀에 이르기까지 다양한 유형의 배터리 셀을 in operando 사이클에 사용할 수 있습니다.

사이클이 순환하면서 셀의 성능이 저하되는 이유는 무엇입니까?

충전 사이클 중에 양극 리튬 이온이 양극에서 이동함에 따라, 결정 격자는 일반적으로 양극 산소 이온 사이의 반발로 인해 팽창합니다. 일부 물질(NCM811 등)에서는 고전압 사이클로 인해 다른 결정상으로 전환되어 갑자기 격자 확장이 발생할 수도 있습니다. 이는 입자 균열을 발생시켜 결국 배터리 셀의 용량 손실을 유발할 수 있습니다.

마찬가지로, 충전 중에 리튬 이온이 음극에 들어가도 격자가 팽창합니다. 흑연 음극의 경우, 격자 구조가 LiC12로 변경되었다가 LiC6로 변경됩니다. 방전 중에 흑연(C)으로 다시 돌아갑니다. 몇 번의 충전-방전 사이클 후, 일부 리튬 이온이 음극에 남아 방전 용량을 저하시킬 수 있습니다. 초기 용량이 훨씬 큰 실리콘과 같은 대체 음극 물질의 경우, 격자 확장이 너무 커서 입자 균열이 빠르게 발생할 수 있습니다.

In operando XRD는 원자 규모의 전극 물질 결정 구조와 셀이 충전되거나 방전될 때 어떻게 변하는지 조사할 수 있습니다. 따라서 새로운 배터리 물질 개발 시 in operando XRD는 사이클 순환 동안 전극 물질의 안정성을 확인하는 간단한 방법을 제공합니다.  특히 배터리 제조업체와 개발자는 당사의 Empyrean XRD 플랫폼을 사용하여 현장 충전-방전 사이클 시 코인, 전기화학, 파우치 및 프리즘 셀을 조사할 수 있습니다. 

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NCM333 및 흑연 음극 셀의 in operando 사이클링 예. 그림 1(a)의 녹색 선은 방전 상태인 3.2볼트에서 완전 충전 상태인 4.3볼트로의 셀 전압 변화를 보여줍니다. 약 6.8°2θ의 피크는 NCM 양극의 003 피크이며, 위치 변화는 사이클링에 따른 C-파라미터의 변화를 반영합니다. 9°2θ 전후의 불연속적 피크는 흑연 음극에서 발생하며, 충전 사이클 동안 흑연에서 LiC12로 그 다음에 LiC6로 변화했다가 방전 사이클 동안 다시 LiC12로 바뀐 후 흑연으로 돌아갑니다. 그림 1(b)은 사이클 중의 c-파라미터 변화를 표시합니다(완전 충전 상태인 14.47에서 방전 상태인 14.14로).

코인 및 전기화학 셀

최소 한 면이 X선 투명 윈도우로 된 모든 유형의 코인 셀은 Empyrean XRD에서 연구할 수 있습니다. 당사는 충전-방전 사이클에 사용할 수 있는 특수 코인 셀 홀더를 공급합니다.
Empyrean XRD는 베릴륨 또는 유리 탄소와 같은 X선 투명 윈도우를 통해 전기화학 셀을 지원할 수도 있습니다. 당사는 Empyrean XRD에 장착 가능하며 가열 및 냉각 옵션이 있는 이 전기화학 셀도 공급할 수 있습니다. 

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그림 2(a)Empyrean XRD 플랫폼에서 지원되는 전기화학 셀을 보여줍니다. 또한 셀을 가열하거나 냉각하여 비상온에서 사이클링 내구성을 조사할 수도 있습니다. 그림 2(b)X선 투명 윈도우가 있는 최소 하나의 면이 있는 코인 셀을 장착하기 위한 전기 연결부가 있는 코인 셀 홀더를 보여줍니다.

파우치와 프리즘 셀

Empyrean은 60kV의 여기를 지원하며, 파우치 셀 연구에 필수적인 고강도 22.16keV Ag 방사선을 지원합니다. 실제로, 최대 5mm 두께의 다층 파우치 셀을 Ag 방사선 및 GaliPIX3D 검출기가 장착된 Empyrean XRD 플랫폼에서 분석할 수 있습니다. 또한 특수 다층 포커싱 미러는 고해상도, 고광도 X선 빔을 제공하여 측정 시간을 더욱 단축시킵니다.      

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그림 3(a)Empyrean XRD에 장착되는 파우치 또는 프리즘 셀을 보여줍니다. 파우치 셀에 압력을 가하는 메커니즘도 지원됩니다. 그림 3(b) 두꺼운 파우치 셀에서 in operandoXRD를 사용할 수 있도록 하는 CdTe 센서가 장착된 고성능 GaliPIX3D 검출기를 보여줍니다.                   

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