Analysis of Graphite for Lithium-Ion Batteries

By Willem Van Zyl 07.07.2021

리튬 이온 배터리

지난 30년 동안 리튬 이온 배터리는 과거의 니켈 카드뮴 배터리에 비해 무게가 가볍고 충전 시간이 길며 극한 조건에서 더 나은 성능을 발휘할 수 있어 에너지 산업에 혁명을 일으켰습니다. 리튬 이온 배터리의 핵심 구성 요소 중 하나인 흑연은 두 가지 극 중 anode에 사용되는 주요 재료입니다.

배터리를 충전하면 리튬 이온은 이 두 전극을 분리하는 전해질 완충액을 통해 cathode에서 anode으로 흐릅니다. 배터리의 에너지를 방전하면 이 과정이 역전됩니다. Cathode에는 다양한 재료를 사용할 수 있지만, 흑연은 풍부하고 비용이 저렴하며 사이클 수명이 길기 때문에 대부분의 anode에 사용됩니다. 배터리의 수명은 배터리가 충전을 유지할 수 있는 시간을 의미하며 기술 수준에 좌우됩니다.

배터리에 흑연을 사용하는 이유

전 세계 산업계가 전기 자동차부터 grid-scale의 에너지 저장소에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하기 위해 더 강력한 리튬 이온 배터리를 만들기 위해 노력함에 따라 흑연의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다.

천연 흑연은 일반적으로 cathode 재료로 사용하기 전에 구형 형태로 변환해야 하는 정제공정이 포함되어 있습니다. 일관된 품질을 보장하는 합성 흑연 생산을 위해 통제된 공정을 포함해야 합니다. 고품질의 합성 흑연을 생산하려면 3000°C의 높은 온도가 필요합니다.

연구자들은 흑연의 형태를 최적화함으로써 더 높은 속도 성능과 에너지 밀도, 낮은 첫 사이클 비가역 용량 손실, 더 긴 사이클 수명 및 더 나은 안전 성능을 갖춘 cathode을 만들 수 있습니다. 구형 흑연 입자는 입자를 더 효율적으로 패킹할 수 있어 전체 전도도를 높입니다. 이를 위해 연구자들은 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 입자의 형태를 시각적으로 연구할 수 있습니다. 주사 전자 현미경은 광학 현미경에 비해 해상도가 뛰어나, 흑연과 같이 관찰하기 어려운 검은색 분말도 분석 가능합니다.

리튬 이온 배터리용 흑연의 SEM 분석

연구자들은 종종 사내 장비나 전문 지식을 갖추지 못해 분석을 위해 샘플을 플로어 모델 SEM을 갖춘 분석 랩으로 보내기도 합니다. 이러한 플로어 모델은 숙련된 전문가가 작동해야 할 뿐만 아니라 이러한 분석을 아웃소싱하면 분석 결과를 확인하는데 오랜 시간이 필요합니다.

Thermo Scientific Phenom XL 데스크톱 SEM을 사용하여 캡처한 흑연 입자 이미지. 왼쪽 위 이미지는 천연 흑연입니다. 다른 이미지는 천연 소재와 가장 유사한 것을 찾기 위해 합성 흑연에 5가지 처리를 적용한 후 캡처한 것입니다.