리튬 배터리 셀 준비 및 평가 모범 사례

Apr 27, 2023

커뮤니케이션 자료 3권, 기사 번호: 64(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

개선된 리튬 배터리는 가전제품과 전기 자동차에 대한 수요가 높습니다. 새로운 소재와 부품을 정확하게 평가하려면 배터리 셀을 통제된 환경에서 제작하고 테스트해야 합니다. 일반적으로 사용되는 코인 및 소형 파우치 셀의 경우 특정 핵심 요소와 매개변수가 최종 셀 품질과 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 배터리용 신소재에 대한 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 얻으려면 재현 가능한 결과를 보장하기 위해 셀 제조의 반복성 및 품질이 중요합니다. 여기에서는 전극 균일성, 부품 건조도, 전극 정렬, 내부 및 외부 압력, 전해질 양 제어, 압력 제어가 가능한 셀 고정 장치 등 셀 제조 및 테스트에 영향을 미치는 주요 요소와 매개변수에 대해 논의합니다. 또한 신뢰할 수 있는 세포 준비를 위한 일반적인 지침도 제공합니다.

리튬이온 배터리(LIB)는 모바일 기기(예: 컴퓨터, 스마트폰, 모바일 기기 등), 전동 공구, 건강 유지 기기1 등 다양한 소비자 전자 제품에 잘 인식되어 적용되었습니다. 전기 운송 시장의 요구가 높아지면서 에너지 밀도가 높고 손실이 적은 고급 배터리 개발에 대한 요구도 높아졌습니다2,3,4,5,6. 흑연 양극과 리튬 전이 금속 산화물 음극 사이의 리튬(Li) 삽입을 기반으로 하는 기존 LIB의 연구 및 개발 외에도, 리튬 금속 산화물 또는 기타 비-Li 함유 음극에 대해 금속 리튬 양극을 사용하는 Li 금속 배터리 시스템도 있습니다. 기존 시스템에 비해 더 높은 에너지 밀도 또는 더 낮은 재료 비용의 잠재력으로 인해 많은 주목을 받았습니다5. 리튬 이온 배터리와 리튬 금속 배터리는 모두 리튬 함유 활성 물질을 활용하고 리튬 이온과 관련된 산화환원 화학에 의존하므로 다음과 같은 맥락에서 두 시스템을 모두 지칭하기 위해 "리튬 배터리"(LB)라는 용어를 선호합니다.

최근 10년 동안 활성 물질, 결합제, 전도성 첨가제, 전해질 및 멤브레인을 포함한 LB의 모든 주요 구성 요소는 수많은 공개 연구 결과에 의해 철저히 조사되고 문서화되었습니다. 재료 수준의 화학적 및 물리적 특성 분석 외에도 전기화학 셀을 준비하고 테스트하여 해당 구성 요소의 성능을 추가로 조사해야 합니다. 이상적으로는 파우치, 원통형 또는 프리즘 형식에 관계없이 상업적인 생산 라인에서 제작된 셀이 더 나은 재현성 결과를 제공합니다6. 그러나 대부분의 연구실에서는 자원 및 비용 제한으로 인해 평가를 위해 여전히 코인 셀과 같은 소형 셀을 사용하고 있습니다. 일부 기관에서는 평가를 위해 단층 또는 소형 다층 파우치 형식 셀을 사용하지만, 해당 샘플의 대부분은 여전히 ​​활물질 분말을 시작으로 "수동으로 제작"되었습니다(자동 또는 반자동 제조 라인과 달리). . 최근까지 연구 커뮤니티에서는 추가 평가가 획득된 세포의 품질과 일관성에 크게 의존하기 때문에 세포 제조의 신뢰성에 주의를 기울이기 시작했습니다. 코인 형식 셀의 경우 전체 셀 제조 공정을 따라 최종 셀 성능에 큰 영향을 미치는 몇 가지 핵심 요소가 확인되었습니다. 불행히도 파우치 형식 셀 준비 및 평가의 핵심 요소에 대한 연구는 여전히 드뭅니다.

이 기사에서는 제조 공정에 따라 최종 셀 성능에 영향을 미치는 주요 요소를 코인 형식과 파우치 형식에 대해 각각 식별하고 논의합니다. 이러한 요소에 중요한 영향을 미치는 몇 가지 중요한 매개변수도 소개되고 논의됩니다. 마지막에는 세포 제조 공정에 대한 체계적인 연구에 대한 기대와 세포 제조 및 테스트를 위한 표준 프로토콜의 필요성도 제시됩니다. 우리는 이러한 핵심 요소와 중요한 매개변수에 대한 논의가 배터리 연구 커뮤니티에 신뢰할 수 있고 재현 가능한 셀 제조 및 테스트에 대한 일반적인 지침을 제공할 수 있기를 바랍니다.