현재 화석 연료에서 재생 에너지로의 전환 필요성과 함께 운송용 내연기관의 대안이 요구되고 있습니다. 단거리 운송에서는 리튬 이온 배터리(LIB)로 구동되는 전기 자동차가 널리 보급된 반면, 장거리 운송이나 대형 운송(트럭, 선박, 기차)의 경우 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)를 기반으로 하는 연료전지 전기 자동차가 주요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 수은 압입 기공 측정법(MIP)은 배터리 및 연료전지 소재의 특성을 분석하는 효과적인 기술로서, 소재의 최적화를 돕고, 에너지 밀도 및 내구성 측면에서 당면한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 문서는 배터리 및 연료 전지 소재의 특성 분석 및 후속 최적화를 위해 수은 압입 기공 분석법을 활용하는 실무적인 방법을 소개하는 기술 안내서입니다. 부피당 에너지 밀도를 높이고 이에 따라 배터리형 전기 자동차의 주행 거리를 연장하는 것이 현재 연구 개발의 주요 목표 중 하나입니다. 한 가지 접근 방법으로 배터리 전극을 더 얇은 층으로 압축하면 부피를 줄이면서 동일한 에너지를 저장할 수 있게 되는 이점이 있습니다. 하지만 압축에는 한계가 있습니다. 첫 번째 한계는 구형인 활성 물질 입자(μm 범위)들이 가능한 가장 촘촘하게 배열될 수 있는 정도로 결정되며, 두 번째 한계는 입자 내부의 기공(nm 범위)에 의해 결정됩니다. MIP 분석은 서로 다른 기공 크기 영역의 기공들을 정량화하고 구분하는 유용한 방법입니다. 이 가이드에서는 전극의 기공도를 올바르게 분석하는 방법과 전극 제조 전에 활성 물질 분말의 형태를 특성화하는 데 있어서의 장점을 설명합니다. 연료전지 분야에서 반응물과 생성물의 질량 전달은 확산 과정에 의해 주도되며, 이는 전극 내의 기공 구조와 일명 가스 확산층의 특성에 크게 영향을 받습니다. MIP 분석은 이미 널리 사용되는 기공 분석 기술이며, 전체 기공률 및 기공 크기 분포의 차이가 최종적으로 만들어진 셀의 성능과 연관되어 있습니다. 이 글에서는 측정 오류를 방지하기 위해 고려해야 할 사항을 설명합니다.
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현재 화석 연료에서 재생 에너지로의 전환 필요성과 함께 운송용 내연기관의 대안이 요구되고 있습니다. 단거리 운송에서는 리튬 이온 배터리(LIB)로 구동되는 전기 자동차가 많이 보급된 반면, 장거리 운송이나 대형 운송(트럭, 선박, 기차)의 경우 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)를 기반으로 하는 연료전지 전기 자동차가 큰 역할을 할 것으로 예상됩니다.[1-2] 수은 압입 기공 측정법(MIP)은 배터리 및 연료전지 소재의 특성을 분석하는 효과적인 기술로서, 소재의 최적화를 돕고, 에너지 밀도 및 내구성 측면에서 당면한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 문서는 배터리 및 연료 전지 소재의 특성 분석 및 후속 최적화를 위해 수은 압입 기공 분석법을 활용하는 실무적인 방법을 소개하는 기술 안내서입니다. 부피당 에너지 밀도를 높이고 이에 따라 배터리형 전기 자동차의 주행 거리를 연장하는 것이 현재 연구 개발의 주요 목표 중 하나입니다. 한 가지 접근 방법으로 배터리 전극을 더 얇은 층으로 압축하면[3] 부피를 줄이면서 동일한 에너지를 저장할 수 있게 되는 이점이 있습니다. 하지만 압축에는 한계가 있습니다. 첫 번째 한계는 구형인 활성 물질 입자(μm 범위)들이 가능한 가장 촘촘하게 배열될 수 있는 정도로 결정되며, 두 번째 한계는 입자 내부의 기공(nm 범위)에 의해 결정됩니다. MIP 분석은 서로 다른 기공 크기 영역의 기공들을 정량화하고 구분하는 유용한 방법입니다. 이 가이드에서는 전극의 기공도를 올바르게 분석하는 방법과 전극 제조 전에 활성 물질 분말의 형태를 특성화하는 데 있어서의 장점을 설명합니다. 연료전지 분야에서 반응물과 생성물의 질량 전달은 확산 과정에 의해 주도되며, 이는 전극 내의 기공 구조와 일명 가스 확산층의 특성에 크게 영향을 받습니다. MIP 분석은 이미 널리 사용되는 기공 분석 기술이며, 전체 기공률 및 기공 크기 분포의 차이가 최종적으로 만들어진 셀의 성능과 연관되어 있습니다[4-5].
양극은 일반적으로 소량의 전도성 탄소와 고분자 바인더가 첨가된 양극 활물질(CAM)로 구성됩니다. 그림 1은 전극 구조의 개략도를 보여줍니다. 파란색의 큰 입자는 양극 활물질(CAM) 입자를, 작은 검은색 원은 전도성 탄소를 나타내며 고분자 바인더는 회색으로 표시되어 있습니다. 일부 양극 활물질(CAM)은 입자 내부에 기공이 없지만, 많은 경우 입자 내부에 정교한 기공 네트워크가 존재하며, 그로 인해 높은 내부 기공률을 가집니다. 따라서 전극 구조 내의 CAM 입자들 사이의 입자 간 부피(inter-particular volume)와 CAM 입자 내부의 입자 내 부피(intra-particular volume)를 구분해야 합니다. 그림 1은 이러한 특정 내부 기공을 매우 단순화하고 확대하여 표현한 것입니다. 입자 내부의 기공 부피는 입자 간 기공 부피를 포함하는 기공 크기 범위보다 훨씬 작은 기공 크기 범위에 해당되므로, 수은 압입법을 사용하면 두 기공 영역을 명확하게 구분할 수 있고, 이를 통해 두 영역의 기공률을 상세히 분석할 수 있습니다. 일반적인 LIB 양극의 경우 전극은 CAM, 카본 블랙(CB, 전도성 탄소 역할을 함) 첨가제, 고분자 바인더(이 경우 PVdF)로 구성됩니다.
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