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리튬 이온(Li) 2차 전지의 R&D를 위한 솔루션

1990년대에 출시된 리튬 이온(Li-ion) 전지는 스마트폰, 노트북, 태블릿, 게임 콘솔, 무선 드릴, 더 최근에는 전기 자동차에 이르기까지 휴대용 전자 장치를 위해 빠르게 성장하고 가장 널리 사용되는 충전 가능 전지로, 이 때문에 NiCad 전지(NiCd)는 시장에서 세를 잃고 있습니다. Li-ion 전지가 높은 에너지 밀도와 작동 전압, 미세한 메모리 효과 및 신속한 충전을 비롯한 여러 이점을 제공하기는 하지만, 전지 성능의 저하 및 안정성, 안전 위험이 계속해서 문제가 되고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전지 제조업체는 성능 저하 메커니즘(특히 전해질 용액)의 분석, 가속 열화 시험 등, Waters가 제공하는 일련의 체계적인 솔루션에 의존할 수 있습니다.

전지의 분류



전지는 세 가지로 분류됩니다.

  1. 전기화학 전지. 가장 일반적으로 사용되는 전지입니다.
  2. 태양전지와 같은 물리 전지. 반도체에서 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환합니다.
  3. 생물 전지. 효소나 미생물을 사용하는 효소 전지가 포함됩니다.

전기화학 전지에서 갈라져 나온 1차 전지에는 망간 전지, 알칼라인 전지 및 수은 전지가 포함되며, 일반적인 용도로 사용됩니다. 리튬 이온(Li) 전지는 2차 전지에 해당됩니다. 1차 전지는 일회용 전지인 반면, 재충전 가능 전지로 알려진 2차 전지는 재충전 및 재사용이 가능합니다. 가장 널리 사용되는 2차 전지는 차량에 많이 사용되는 납축전지입니다. 재충전 가능 건전지인 NiCad(NiCd) 전지도 2차 전지에 포함됩니다. 2차 전지는 니켈 수소 전지 및 리튬 이온 2차 전지로 발전하고 있으며, 보다 환경 친화적인 전지로 인정받고 있습니다.

Li-ion 2차 전지의 특성

거의 100년 동안 사용되어 온 2차 전지 유형인 납축전지는 차량 및 무중단 전원공급장치(UPS)와 같은 다양한 용도로 널리 사용됩니다. 납축전지는 다른 2차 전지에 비해 전기 용량당 비용이 매우 저렴하며 대용량 전기 출력이 가능합니다. 그런 반면, 대규모 설치 공간 필요(본체 크기가 큼), 무거운 중량, 저온일 때 성능 불량 등 여러 가지 단점을 가집니다.

NiCd 전지, NiMH 전지 및 Li-ion 2차 전지는 각기 나름의 고유한 특성을 가지지만 Li-ion 2차 전지로 융합하는 양상을 보이고 있습니다. NiCd 전지는 대용량 전기 출력이 가능한 2차 전지 유형으로서, 면도기와 같은 장치 및 전기 드릴과 같은 공구에 사용되어 왔습니다. 그러나, 사람들이 일반적으로 카드뮴을 환경 오염물질로 인식하기 때문에 NiCd 전지의 사용은 세간의 비난을 받고 있으며, 유럽에서는 시판된 NiCd 전지의 수거 및 사용 제한이 의무 규정이 되었습니다.

NiMH 및 Li-ion 2차 전지와 비교할 때 NiCd 전지는 용량당 중량이 무겁고 메모리 효과 문제로 인해 널리 사용되지는 않습니다. 1990년에 출시된 Li-ion 전지는 중량당 우수한 충전 용량을 인정받아, 빠른 성장세를 보이고 있는 휴대폰 및 노트북 PC를 위한 대안으로 받아들여졌습니다. 게다가, Li-ion 전지는 반복적인 소량 방전/재충전 주기에도 출력 용량이 줄지 않고(메모리 효과) 반복된 재충전이 가능하다는 특성을 가집니다.

  • 높은 에너지 밀도
    o 같은 체적의 NiCd 및 NiMH 전지와 비교할 때
    o 중량당 에너지 밀도: 2.0–5배
    o 용적당 에너지 밀도: 1.5–3배
  • 높은 작동 전압
    o NiCd 및 NiMH 전지에 비해 약 세 배 높은 전압을 획득할 수 있습니다.
    o 직렬 연결 전지 수가 1/3로 감소합니다.
    o 이 배터리를 이용하면 본체 크기와 장치 중량을 줄일 수 있습니다.
  • 메모리 영향 없음
    o 반복적인 재충전이 가능합니다.
  • 환경 친화적이며 안전함
    o 카드뮴, 납 및 수은을 비롯해 환경 안전성과 관련하여 제한된 물질이 사용되지 않습니다.
    o 과충전 저항성
    o 적절한 열 안정성
  • 빠른 충전 능력 및 양호한 충전 및 방전 재생 특성

Li-ion 2 전지의 메커니즘

Li-ion 2 전지의 구성 요소

전해질 용액 열화 메커니즘 분석의 예

Xevo G2-XS Tof를 이용한 충전-방전 주기 후 전극 표면에 점착된 유기 물질과 전해질 용액의 산출물에 대한 구조 설명입니다.

 

참고 자료: Journal of the Electrochemical Society, 151(8) A1202-A1209 (2004), “Identification of Li-based Electrolyte Degradation Products Through DEI and ESI High-resolution Mass Spectrometry,” S.Laruelle, S.Pilard, P.Grugeon, S.Grugeon, and J.-M.Tarascon

가속 열화 시험 및 열화 메커니즘의 분석

일부 연구에서는 새로운 물질과 성분의 성능 가변성과 안정성 평가를 비롯해 가변 요소에 대한 분석을 필요로 합니다. 열화 샘플의 불순물에 대한 구조 분석을 통해 얻은 정보를 기반으로 주요 구성 요소의 분해 및 중합화와 같은 열화 과정을 설명할 수 있으며, 안정성을 위해 효과적인 첨가제를 선택하는 기준이 될 수 있습니다. Progenesis QI(OPLS 모델)를 이용한 다변량 분석은 열화 전후의 비교 분석에 효과적입니다. 이 분석에서 얻어진 성분과 관련된 대량 정보를 기반으로 차이 요소를 쉽게 식별하고 분리할 수 있습니다.

가속/노화 연구의 열화 메커니즘 분석 워크플로와 열화 메커니즘 분석에서, 가속전 및 가속후 열화 샘플은 UPLC/time-of-flight 질량 분석기(n ≥ 3)를 이용해 분석되며, 종합적으로 검출된 성분 정보(머무름 시간, accurate mass 및 피크 면적)는 하나의 표에 자동으로 요약됩니다. OPLS 모델을 이용한 이러한 성분 정보 분석을 통해 S-Plot이 제공됩니다. 이 S-Plot을 통해 열화전 및 열화후에 증가 또는 감소한 성분을 시각적으로 쉽게 파악할 수 있습니다. S-Plot에서 각 플롯은 accurate mass 및 머무름 시간에 따라 식별된 성분(피크)에 해당합니다. 빨간색 표식이 있는 두 개의 플롯은 열화전 및 열화후에서 가장 큰 변화를 보이는 성분을 나타냅니다. 이 플롯을 클릭하면 추세 플롯을 볼 수 있고, 열화전 및 열화후의 성분 증가 또는 감소를 확인할 수 있습니다. 이 두 성분은 열화되는 동안에 산화, 환원, 열화 및 중합화 등에서 일정 수준의 관련성을 가지는 것처럼 보입니다.

 

전해질 용액의 열화 메커니즘 분석을 위한 체계적인 솔루션

UPLC/Xevo G2-XS QTof (UPLC/quadrupole, time-of-flight 질량 분석기)

  • IntelliStart를 이용한 자동 검량
  • LockSpray를 이용한 정밀한 accurate mass 측정
  • i-Fit을 이용한 정밀한 원소 조성 분석
  • UPLC(초고성능 액체 크로마토그래피)에 최적
  • ESCi, APCI/APPI, ASAP, APGC에 적용 가능

(UPLC/quadrupole, IMS, time-of-flight 질량 분석기)UPLC/SYNAPT G2-Si

  • 이온 이동성 분리 기능
  • TAP 조각화(조각 이온의 배치)
  • IntelliStart를 이용한 자동 검량
  • LockSpray를 이용한 정밀한 accurate mass 측정
  • i-Fit을 이용한 정밀한 원소 조성 분석
  • UPLC(초고성능 액체 크로마토그래피)에 최적
  • ESCi, APCI/APPI, ASAP, APGC, MALDI에 적용 가능

Li-ion 2차 전지의 충전/방전 메커니즘은 단순하게 충전/방전 주기 동안 분리판을 통해 음극과 양극 사이에서 리튬 이온을 전달하는 것입니다. 음극과 양극 재료는 기본적으로 충전된 상태로 유지됩니다.

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