충전식 리튬 이온 배터리에 대한 수요는 빠르게 성장하고 있으며, 그 결과로 제조업체들은 생산 품질 요건을 충족하고 또한 추가적인 배터리 개발을 달성해야 합니다.
실험실을 위한 분석적 특성화 솔루션 및 제조용 자동 정밀 저울에 대한 메틀러 토레도의 광범위한 포트폴리오는 리튬 이온 배터리 생산의 품질 보증(QA) 개발 및 품질 관리(QC) 절차를 지원합니다.
메틀러 토레도의 혁신적인 실험실 및 산업 솔루션은 원료 및 배터리 부품 검사에서부터 생산 및 최종 품질 관리에 이르기까지 리튬 이온 배터리 value chain 내의 여러 단계를 지원합니다.
어느 때보다도 빠르게 성장 중인 휴대용 전자 장치 시장과 급속도의 전기차 혁명에 발맞추어 충전식 배터리에 대한 수요 또한 함께 커졌습니다. 리튬 이온 배터리(LIB)는 이 기술의 최첨단 분야입니다. 이 배터리 종류는 가벼우면서도 강력하여 에너지 밀도가 높고, 주기 내구성이 우수하여 주기마다 많은 에너지를 잃지 않고도 충전 및 재충전이 가능하며, 자기방전율이 낮습니다.
리튬 이온 배터리 다이어그램은 리튬 이온 배터리의 작동 원리를 보여 줍니다. LIB는 음극재 및 양극재 간의 전기화학적 반응에 의해 방출되는 에너지를 저장합니다. 양극과 음극 모두에는 양전하를 띤 리튬 이온이 포함되어 있습니다.
방전 중 음극의 산화 반응으로 인해 전자와 리튬 양이온이 방출됩니다. 전자는 외부 도선을 통해 양극으로 흐릅니다. 리튬 양이온은 액체 전해질과 분리막을 통해 양극으로 흐르며, 여기서 전자와 양이온이 환원 반응을 통해 재결합하여 전기가 통하게 됩니다.
충전 중에는 전극에서의 반응이 반대로 나타나며, 리튬 이온도 반대 방향으로 흐릅니다. 리튬 이온은 전체 전기화학 반응에 관여하지 않으며 산화 상태를 유지합니다.
상용 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용되는 전해질 용액은 유기 용매(대부분 환형 및 선형 탄산염), 리튬염 및 다양한 첨가제로 구성되어 있습니다. 전해질 및 그 외의 리튬 이온 배터리 물질에는 수분이 닿아서는 안 되는데, 그 이유는 극소량만 전해질과 반응해도 배터리의 성능과 안전을 저해할 수 있는 불화수소산 등 유해 부산물이 생성되기 때문입니다. 이와 같이 수분이 부정적인 영향을 미치기 때문에, 전해질의 수분 함량을 일상적으로 검사해야 합니다.
전량 칼 피셔 적정은 전해질의 수분 함량을 정밀하고 정확하게 측정하기 위해 선택된 분석법입니다. 수분 뿐만 아니라, 그 자체로 유해한 분해 산물인 불화수소산(HF)도 전해질에서 측정될 수 있습니다. 산-염기 적정은 배터리 전해질의 HF 함량을 검사하는 데 있어 정확하고 신뢰할 수 있는 분석법으로 입증되었습니다.
액체의 밀도는 그 분자 조성에 따라 달라집니다. 메틀러 토레도 밀도 측정기를 이용한 빠른 밀도 확인은 물 또는 기타 불순물에 의한 전해질 오염을 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.
시차 주사 열량계(DSC)는 전해질 용액 내 탄산염의 조성 및 함량을 연구하기 위해 QC에서 사용되며, 이는 리튬 이온 배터리의 순환 내구성, 에너지 밀도 및 안전성을 보여주는 중요 지표입니다. 또한 DSC는 충전/방전 과정의 최소 온도를 결정하기 위한 전해질 용융 및 결정화 관련 정보를 제공합니다.
관련 문서
전해질의 성능 및 안전성은 충전/방전에 의한 양극활물질의 노화 및 열화에 큰 영향을 받습니다.
열 용량, 분해 온도 및 엔탈피 측정을 위한 정밀 측정을 제공함으로써, 열 분석 기법은 리튬 이온 배터리 특성화를 위한 열 안정성 연구에 핵심적인 역할을 합니다. 단일 시험에서 열화 부품에 대한 더 많은 정보를 얻기 위해 메틀러 토레도의 TGA 또는 TGA/DSC를 적합한 가스 분석 시스템, 예를 들어 푸리에 변환 적외선 분광광도계, 질량 분광광도계, 가스 크로마토그래피-질량 분광광도계 또는 미세 가스 크로마토그래피-질량 분광광도계를 연결하여 수행할 수 있습니다.
전해질의 경우와 비슷하게, 양극 및 음극 검사에는 배터리 내 부품을 사용하기 전의 수분 함량에 대한 분석이 포함됩니다. 메틀러 토레도의 InMotion KF 오븐 오토샘플러는 고체 물질을 높은 온도로 가열하고, 그 수분을 추출하며, 이를 전량 칼 피셔 적정기로 유도하여 검출합니다.
또한 적정은 염화이온, 수산화물 및 탄산염 등의 불순물에 대한 검사는 물론 양극재의 금속 함량(예: 코발트, 망간, 철, 니켈)을 측정하는 데에도 사용될 수 있습니다.
관련 문서
애플리케이션 노트:
리튬 이온 배터리의 분리막(separator)은 배터리의 성능, 수명, 그리고 신뢰성과 안전성에 결정적인 영향을 미칩니다. 예를 들면, 분리막 물질의 열화는 전지 고장으로 이어지는 내부 단락의 근본 원인인 경우가 많습니다. 따라서 신뢰할 수 있는 분리막 검사 및 분석법은 매우 중요합니다.
열 분석은 일반적으로 PP 또는 PE와 같은 폴리올레핀으로 제조되는 분리막의 열 속성을 특성화하는 데 사용됩니다. 이러한 막의 기술적 한계에는 침투 내성, 수축 및 용융 등이 있습니다. 이러한 속성은 열중량 분석기(TGA), 시차 주사 열량계(DSC) 및 열기계 분석(TMA)의 방법을 통해 검사할 수 있습니다.
관련 문서
가이드:
리튬 이온 배터리는 시재료부터 고품질의 제품에 이르기까지 최대 25개의 생산 단계를 거쳐야 하며, 이는 소비자가 원하는 품질 및 성능을 위한 토대가 됩니다. 수분 함량 측정을 비롯한 계량은 전체 제조 체인에 일관성과 추적성을 제공하기 위한 핵심 공정입니다.
고가의 원료는 전체 전지 생산 비용의 최대 60%를 차지합니다. 계량은 높은 공정 허용 오차를 충족하여 배합의 일관성을 유지하고 비용 낭비를 예방할 수 있는 가장 정확한 분석법입니다.
전극이 쌓인 후, 계량은 전해질 충전을 위한 솔루션입니다. 전해질 흐름을 제어할 수 있더라도, 고정밀 계량 장치의 정확도는 100% 품질 관리를 보장할 수 있습니다.
실수로 모듈 안에 떨어져 누락되거나 숨겨진 부품은 화재 및 모듈 손상의 원인이 될 수 있습니다. 완전성 검사를 위한 고정밀 로드셀을 사용하여 이러한 상황을 예방할 수 있으며, 표면의 광택으로 감지가 어려운 경우의 문제까지 해결해 줍니다.
전극 슬러리의 고체 함량이 코팅 품질은 물론 전극 성능에도 영향을 미치기 때문에, 전극이 생성되는 동안 각 고체의 수분 함량을 엄격하게 관리하는 것이 매우 중요합니다. 할로겐 수분 측정기를 사용하면 이 작업을 쉽고 빠르게 수행할 수 있습니다.
관련 문서
사례 연구:
eBooks:
리튬 이온 배터리 생산 – 산업용 계량 자동화 사례
배터리 성능은 양극활물질(CAM)의 순도 및 전구물질인 PCAM의 입자 크기에 따라 크게 달라집니다.
침전/결정화가 이뤄지는 동안, PCAM 입자의 형태와 분포가 영향을 받도록 공정 pH를 끊임없이 제어하는 것이 매우 중요합니다. 공정 변동성은 형태 프로필을 크게 변화시킬 수 있으므로 바람직하지 않습니다. 정확한 인라인 pH 측정은 공정의 일관성을 유지하기 위한 필수 조건입니다.
PCAM(금속수산화물)을 침전시키면 공정 센서에 스케일 층을 형성하여 측정 드리프트가 발생할 수 있습니다.
메틀러 토레도의 InPro 4260i 지능형 공정 pH 전극은 부유 물질의 높은 농도를 통해 PCAM 제조 공정에 맞춤화 되어 있습니다. 메틀러 토레도는 EasyClean 200 자동 세척 시스템과 함께 PCAM 공정 pH를 안정적으로 제어할 수 있는 궁극의 측정 솔루션을 제공합니다.
이 반응기는 PCAM의 산화를 방지하기 위해 낮은 산소 수치를 필요로 합니다. InPro 6850i는 설치 공간을 적게 차지하는 메틀러 토레도의 현장 산소 센서로, 반응기 헤드 공간 내 산소 수치를 정확하게 측정하고 불활성 가스를 신속하게 제어할 수 있습니다.
관련 문서
웹 세미나:
브로셔: 신뢰할 수 있는 리튬 이온 배터리 솔루션
LIB Application 최적화를 위한 METTLER TOLEDO의 측정/분석 솔루션
본 브로셔에서는 배터리 Value Chain에 따른 재료와 구성 요소를 살펴보고, 리튬 이온 배터리의 모든 측면을 검토하기 위한 제조 및 테스트 요구사항에 대한 포괄적인 관점을 제시합니다.
정밀 기술을 활용하여 workflow의 모든 단계를 최적화하는 방법을 알아보고, 실험실 및 공정 내 LIB Application 최적화를 위한 METTLER TOLEDO의 측정/분석 솔루션에 대해 자세히 알아보십시오.
- 배터리 Workflow 내 제조 요구사항
- 배터리 가치사슬(Value Chain) 전반의 테스트
- 사용한 리튬 이온 배터리의 재활용
- LIB Application을 위한 METTLER TOLEDO 솔루션
가이드: 리튬 이온 배터리 Lifecycle
배터리 Value Chain에 따른 성능 및 안전 보장: 프로세스를 최적화하고 높은 정밀도를 활용하여 배터리 성능과 안전성을 보장합니다.
기기
FAQ
리튬 이온 배터리 검사와 그 원리는 무엇입니까?
- 리튬 이온 배터리의 장점은 무엇입니까?
- 리튬 이온 배터리의 수명은 어떻습니까?
- 리튬 이온 배터리의 안전 작동 온도는 얼마입니까?
- 리튬 이온 배터리 내의 수분은 어떤 영향을 미칩니까?
- 수분에 대해 검사해야 하는 배터리 부품은 무엇입니까?
- 전해질을 배터리에 충전하기 전에 수분과 불화수소산 모두에 대해 검사해야 합니까?
- 수분에 대한 전해질 검사를 위해 선택된 분석법은 무엇입니까?
- 수분에 대해 고체 양극, 음극 및 분리막을 검사하기 위해 권장되는 분석법은 무엇입니까?
- 전해질의 밀도를 확인해야 합니까?/a>
- 열 분석은 리튬 이온 배터리의 안전성 조사에 어떤 도움이 됩니까?
- 그래핀 음극재의 합성을 동시 열 분석으로 어떻게 조사할 수 있습니까?
- 분리막 차단이 중요한 이유는 무엇이며, 어떻게 검사할 수 있습니까?
- 유해 물질이 슬러리 배치를 배합하기 위해 사용되는 측정 장치를 손상시킬 수 있습니까?
- 저의 기계 및 생산 시스템에서 산업용 저울을 어떻게 교정합니까?
- 중량 기반 전해질 충전의 이점은 무엇입니까?
- 전해질 충전 공정을 얼마나 정확하게 측정할 수 있습니까?
- 산업용 저울로 배터리 모듈 내 숨겨진 부품을 탐지할 수 있습니까?
- PCAM 제조가 진행되는 동안 정확한 공정 pH 제어가 중요한 이유는 무엇입니까?
- 결정화기에서 PCAM 성능 저하를 어떻게 방지할 수 있습니까?
- PCAM 하소 중 산소 농도가 필요한 수준인지 어떻게 확인할 수 있습니까?
1. 리튬 이온 배터리의 장점은 무엇입니까?
리튬 이온 배터리는 수백 회 충전할 수 있으며 보다 안정적입니다. 이 배터리는 다른 충전식 배터리에 비해 에너지 밀도와 전압 용량이 더 높고 자기방전율이 더 낮은 경향이 있습니다.
3. 리튬 이온 배터리의 안전 작동 온도는 얼마입니까?
리튬 이온 배터리는 0°C ~ 45°C에서 충전했을 때 최적의 성능을 보입니다. 최적의 방전 온도는 –20°C ~ 60°C입니다.
4. 리튬 이온 배터리 내의 수분은 어떤 영향을 미칩니까?
리튬 이온 배터리 내의 수분은 전해질과 반응하여 불화수소산(HF)과 같은 유해 산물을 발생시킵니다. 이러한 화학물질은 전극의 열화를 야기하고, 전반적인 기능을 방해하며, 결국은 용량을 감소시킵니다. 또한 수분은 배터리의 폭발로 이어지는 열 폭주 시나리오를 초래할 수 있습니다.
5. 수분에 대해 검사해야 하는 배터리 부품은 무엇입니까?
모든 배터리 부품은 배터리에 장착되기 전에 수분에 대한 검사를 거쳐야 합니다. 액체 전해질을 통해 서로 접촉하는 모든 부품이 해당됩니다..
6. 전해질을 배터리에 충전하기 전에 수분과 불화수소산 모두에 대해 검사해야 합니까?
불화수소산(HF)은 배터리의 성능에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 이 물질은 전해질과 수분의 반응을 통해 형성됩니다. 이 반응은 배터리 내부에서 발생할 수 있으나, 전해질이 생성되는 중에도 발생할 수 있습니다. 따라서 전해질을 배터리 외함에 충전하기 전에 수분뿐만 아니라 HF 자체에 대해서도 검사하는 것이 중요합니다..
7. 수분에 대한 전해질 검사를 위해 선택된 분석법은 무엇입니까?
전량 칼 피셔(KF) 적정은 전해질 등 샘플의 낮은 수분 함량을 측정하기 위해 선택된 분석법입니다. 이 분석은 빠르고 신뢰할 수 있으며, 샘플 준비가 전혀 필요하지 않습니다. 전해질 샘플을 적정 용기에 주입하면 ~2분 후에 결과를 얻습니다..
8. 수분에 대해 고체 음극, 양극 및 분리막을 검사하기 위해 권장되는 분석법은 무엇입니까?
고체 샘플은 칼 피셔 적정 용기에 직접 주입할 수 없습니다. 그러므로 먼저 수분을 추출하기 위해 기체상 추출 오븐이 필요합니다. InMotion KF 오븐은 자동으로 고체 샘플을 높은 온도로 가열하며, 건조 질소의 흐름이 수증기를 전량 적정 셀로 운반하여 검출합니다. 이 분석은 완전히 자동화된 방식입니다. 바이알에 전극을 충전하면 해당 분석법이 OneClick™으로 시작됩니다.
9. 전해질의 밀도를 확인해야 합니까?
액체의 밀도는 그 조성에 따라 달라집니다. 수분 및 기타 불순물은 전해질의 밀도를 변화시킵니다. 전해질의 빠른 밀도 확인을 통해 오염 및 품질 불량을 밝혀낼 수 있습니다.
10. 열 분석은 리튬 이온 배터리의 안전성 검사에 어떤 도움이 됩니까?
열중량 분석기(TGA) 및 시차 주사 열량계(DSC)는 다양한 배터리 부품의 열 안정성 및 분해 프로필을 측정하는 데 유용한 도구입니다. 또한 배터리의 열 폭주를 정상 및 극한 상황에서 조사할 수 있습니다.
11. 그래핀 음극재의 합성을 동시 열 분석으로 어떻게 조사할 수 있습니까?
그래핀을 확보하기 위한 간단하고 저렴한 방법은 산화 그래핀을 환원하는 것이며, 이는 흑연에서 쉽게 얻을 수 있습니다. 산화 그래핀의 단계적 환원은 TGA/DSC로 쉽게 추적할 수 있습니다.
12. 분리막 차단이 중요한 이유는 무엇이며, 어떻게 검사할 수 있습니까?
안전상의 이유로, 용융 발생 전에 분리막이 차단(즉, 기공 폐쇄)되는 것이 중요합니다. 이는 분리막의 수축 및 용융 작용을 특성화하는 열기계 분석(TMA)을 통해 확인할 수 있습니다.
13. 유해 물질이 슬러리 배치를 배합하기 위해 사용되는 측정 장치를 손상시킬 수 있습니까?
칭량 모듈 및 로드셀은 일반적으로 탱크 또는 혼합기의 외부에 설치되므로, 측정 장치가 뜨겁거나, 차갑거나, 유해하거나, 폭발성이 있는 물질과 직접 접촉하지 않습니다. 또한 이들 센서는 모양, 표면, Di-Electricity, Reynolds 수, 점도 또는 기타 모든 물질 특성과 관계 없이 정확합니다.
14. 저의 기계 및 생산 시스템에서 산업용 저울을 어떻게 교정합니까?
귀하의 기계 및 생산 시스템에 통합된 로드셀 및 칭량 모듈은 안전하고 정확하게 작동해야 하는 핵심 부품입니다. 메틀러 토레도는 모든 용량에 맞춤화 된 교정 서비스를 제공하여 일관된 결과 및 안정적 운영을 확보하도록 도와드립니다. 이러한 서비스에는 시험 분동 교정, 시험 분동 및 물질 대체 교정, RapidCal™ 유압식 교정 및 POWERCELL®을 이용한 CalFreePlus 무분동 교정이 포함됩니다.
15. 중량 기반 전해질 충전의 이점은 무엇입니까?
칭량 장치의 상단에 전해질을 직접 충전하는 것은 센서와 충전 장치 간의 폐쇄 루프를 만듭니다. 이는 전체 생산 과정에서 충전 장치를 계속 조정할 수 있고, 측정불확도 요소를 제거할 수 있으며, 일관된 배터리 셀 품질을 보장할 수 있다는 의미입니다.
16. 전해질 충전 공정을 얼마나 정확하게 측정할 수 있습니까?
전해질 충전에 대한 칭량 기술을 선택할 때는 해독도, 반복성 및 감도 등의 중요 파라미터를 가장 중요하게 고려해야 합니다. 가장 중요한 것은 분해능만을 유일한 선택 기준으로 이용하는 것을 피해야 한다는 점인데, 이것만으로는 안정적인 결과 또는 고품질을 보장할 수 없기 때문입니다.
17. 산업용 저울로 배터리 모듈 내 숨겨진 부품을 탐지할 수 있습니까?
배터리 모듈 조립의 마지막에 소위 공차 및 교차 중량 확인을 수행할 수 있습니다. 이 절차를 통해 모든 제품이 장착되었는지, 그리고 조립 중 모듈로 떨어진 부품이 없는지 여부를 확인할 수 있습니다. 또한 칭량은 광택 있는 알루미늄 표면의 영향을 받지 않습니다.
18. PCAM 제조가 진행되는 동안 정확한 공정 pH 제어가 중요한 이유는 무엇입니까?
공정 pH는 입자의 크기 및 형태에 직접 영향을 미치며 이로 인해 배터리 성능, 즉 충전/방전의 요인이 됩니다.
19. 결정화기에서 PCAM 성능 저하를 어떻게 방지할 수 있습니까?
PCAM 합성 중 반응기에 산소가 존재하면 원치 않는 NCM 산화물이 쉽게 형성될 수 있으므로, 반응기 헤드스페이스에서 불활성 대기를 유지하는 것이 중요합니다. 지속적인 in-situ 산소 측정을 통해 공기 유입 또는 질소 차단이 불충분한 경우 즉시 알림을 제공합니다.