고품질 및 진보된 기능성을 확보하고 미세 입자상 물질 관련 공정 개선 및 정교화를 위해 최근 발전하고 있는 입자 최적화 분야에서는 기존의 입도 분포뿐만 아니라 입형에도 중점을 두고 있습니다.
미세 입자(몇 미크론의 크기)로부터 얻는 코팅 필름 및 다공성 물질은 전자기 소재, 의약품, 화학적 정제 및 세라믹 등에 사용됩니다. 특히 배터리 전극의 코팅 필름에 대한 입자 특성 조정 최적화는 점차 그 중요성이 커지고 있습니다. 예를 들어 미세 입자의 입형 조정을 통해 코팅 필름의 공극 구조에 대해 개선된 삼투압 및 전해질 투과에 의한 배터리 충전-방전 특성 개선을 위한 연구가 수행되었습니다. 이 응용 노트에서는 필름 코팅에 대한 입형 조정의 효과를 설명하고 사용된 그래파이트 소재의 입형 측정에 적합한 장비를 소개합니다.
사용할 수 있는 건조 입자 처리 장비의 종류는 매우 다양합니다. 이 연구에서는 고속 분산 및 믹서와 결합하여 회전 충격력 및 전단 압축력에서 작동하는 배치형 입형 조정 메커니즘이 적용되었습니다.
입형 및 입도 분석을 위해 Sysmex 유동 입자 이미지 분석기 FPIA-3000이 사용되었습니다. 샘플을 액체에 분산시킨 후 샘플을 평면 유동으로 유도하는 시스 유동 메커니즘을 사용하는 장비로 주입했습니다. 가시광선이 샘플을 횡방향으로 비추고 유동의 수직 방향에 위치한 카메라가 입자의 이미지를 캡처합니다. 각 입자의 윤곽 좌표로부터 다수의 입도 및 입형 지수를 계산할 수 있습니다.
|
그림 1에서는 입도(이 경우는 등가경(CED)) 및 입형(이 경우는 원형도) 분포 결과의 예시 및 산포도를 통한 이 두 특성간 상관 관계를 보여줍니다.
고속 분산을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우 처리된 그래파이트의 입형 및 분석 결과로서 CED 대비 원형도에 대한 산포도가 그림 2에 나와 있습니다. 최종 결과에서 3µm보다 작은 입자를 제외한 후의 평균 CED 및 평균 원형도와 함께 각 샘플에 존재하는 3µm보다 큰 입자의 비율이 표 1에 나와 있습니다. 크기가 큰 입자 이미지의 예가 그림 3에 나와 있습니다.
|
|
3µm보다 큰 입자 비율(%) | 부피 기반 평균 CED(3µm 미만의 입자는 모두 제외됨) | 평균 원형도(3µm 미만의 입자는 모두 제외됨) | |
|---|---|---|---|
고속 분산을 사용하지 않은 경우 | 61.97% | 26.48µm | 0.878 |
고속 분산 사용 후 | 40.22% | 11.49µm | 0.912 |
|
다음과 같이 두 샘플간 차이가 발견되었습니다: 고속 분산 장비로 처리되지 않은 샘플에는 처리된 샘플에 비해 크기가 큰 입자(>3µm)의 비율이 더 높았습니다. 또한 처리되지 않은 샘플은 전체적인 원형도가 더 낮은 것으로 나타났습니다. 이 결과는 물질을 고속 분산 장비로 처리하면 존재하는 비원형 응집 입자의 양이 감소함을 보여줍니다. 따라서 입도가 포함된 입형 분석을 통해 코팅 필름에서의 효과성 측면에서 개선된 입자 평가가 가능합니다.
탄소 원료는 그림 4a의 SEM 이미지와 같이 얇게 벗겨지는 입자 형태를 갖습니다. 입자 처리 장비로 탄소 원료를 처리하면 시간이 경과할수록 그리고 장비의 회전 속도가 증가할수록 더 구형의 (공 모양으로 응집된) 입자가 생성됩니다. 이러한 공 모양으로 응집된 입자의 SEM은 그림 4b에 나와 있습니다. FPIA-3000과 같은 장비를 사용하여 원료의 입형 및 입도를 분석하면 최종 코팅 필름의 배열 구조와 함께 투과성 및 충전-재충전 특성을 더욱 쉽게 이해할 수 있습니다.
|
|
메스를 사용하여 페이스트 형태의 입자 샘플을 고르게 발라 녹색의 얇은 코팅 필름을 만들고 이를 건조시킨 후 롤러로 눌러 두께를 균일하게 합니다. 코팅 필름을 레진 용액에 담그고 레진이 스며들어 고형화되도록 합니다. 그런 다음 고형화된 코팅 필름의 상단면을 가로로 잘라내고 새로 절단된 면을 노출시켜 전자 현미경으로 사진을 찍습니다. 개별 입자의 윤곽 좌표가 검출되도록 SEM 이미지를 처리하고 절단면에 다양한 직경을 가진 가상의 원을 중첩시킵니다. 결과적으로 입자간 공간에 성공적으로 형성되는 공극의 확률을 나타내는 공극 분포 정보를 얻게 됩니다.
|
서로 다른 입형을 사용하여 여러 개의 코팅 필름을 준비하였습니다. 이들 중 하나의 배열 구조 단면의 예가 그림에 나와 있습니다. 5. 구형 입자가 더 큰 비율로 구성된 코팅 필름은 그림 6에 나와있는 것과 같이 더 넓은 공극 크기 분포와 더 큰 평균 공극 크기를 갖습니다.
|
코팅 필름을 여과 물질 위에 올려 놓습니다. 정용량형 펌프를 사용하여 이 시험편을 통해 물을 수직으로 투과시킵니다. 이 과정에서 미세 압력차 압력계를 통해 최종 차압이 측정됩니다. 다양한 투과 유량에 대해 차압을 이와 유사한 방법으로 측정하면 압력 손실과 유속 사이의 관계를 정의하는 값을 하나 결정할 수 있으며 이 값은 유체 역학에서 사용되는 코제니-칼만식의 투과 계수와 같습니다. 주어진 입자 물질의 공극 비에서 이 물질에 대한 투과 압력은 공극 직경이 증가할수록 감소하며 결과적으로 더 구형인 물질일수록 유체의 투과성이 향상됩니다.
음극 역할을 하는 코팅 필름을 사용하여 단위 전지를 구성하였고 정전류 정전압 시스템을 사용하여 이 전지의 충전-방전 특성을 결정하였습니다. 다양한 코팅 필름이 사용되었고 각 코팅 필름 유형은 각기 다른 입형을 포함합니다.
코팅 필름 내에서 구형 입자가 차지하는 비율이 클수록 공극 크기 분포가 더 커지고 전해질이 코팅 필름을 통해 더 쉽게 투과되었습니다. 그림 7에 나와있는 플롯은 음극 물질에 구형으로 응집되는 입자를 사용하면 성능 개선을 얻을 수 있으며 특히 전극 두께가 증가함에 따라 이차 배터리의 고율 방전 성능 개선에 도움을 줄 수 있음을 보여줍니다.
|
적절하게 설계된 입형과 입도를 가진 물질은 다양한 미세 입자 응용 분야의 제어 가능성을 높여 줍니다. 여기에 제시된 배터리 전극용 코팅 필름의 예는 이차 배터리의 충전-방전 특성이 입형 조정 및 이를 통한 코팅 필름 배열 구조의 변경을 통해 개선될 수 있음을 보여줍니다. 이는 필름을 통과하는 전해질의 투과를 촉진합니다. 따라서 적절한 입형을 가진 입자를 사용하여 배열 구조를 제어할 수 있습니다.
Sysmex FPIA-3000은 사용이 편리한 자동화 장비로서 수 십만 입자가 카메라 앞을 통과할 때 이 입자들의 이미지를 캡처하여 미세 입자를 분석하는 데 최적화되어 있습니다. 개별 입도 및 입형 그리고 이와 연관된 샘플 분포에 따른 결과가 생성됩니다. 이 밖에도 입도 대 입형 분포의 산포도를 통해 입도와 입형간 상관 관계를 평가할 수 있습니다. FPIA-3000은 입자 품질 및 기능성을 개선하기 위한 연구 개발 분야뿐만 아니라 상용 입자 처리 공정에서 품질 관리를 위한 일상적인 측정 용도로도 적합합니다.
여기에 제시된 데이터를 제공해 주신 홋카이도 대학의 Kunio Shirohara씨에게 감사의 말씀을 전합니다.
