배터리 전극의 안정성과 균일성을 모니터링하는 새로운 방법
휴대 전화, 컴퓨터, 자동차, 에너지 저장 등의 분야에서 리튬 이온 배터리의 광범위한 적용으로 인해 배터리 안전, 에너지 밀도 및 전력 밀도 성능에 대한 사람들의 요구가 증가하고 있습니다. 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도와 출력 밀도를 개선하기 위해서는 리튬 배터리를 위한 몇 가지 새로운 재료와 기술이 시급히 개발되어야 합니다. 리튬 이온 배터리 생산은 여러 공정으로 구성됩니다. 안전성과 신뢰성이 높고 성능 일관성이 우수한 배터리를 얻기 위해서는 불량 제품이 시장에 유입되지 않도록 각 생산 공정에 대한 엄격한 모니터링 조치를 개발해야 합니다. 생산 비용을 절감하고 생산 효율성을 향상시키기 위해, 배터리 업체들은 전공정 단계에서 이상 징후를 빠르게 파악해 적시에 개선 조치를 취할 수 있기를 기대하고 있다. 이전 공정에서 대부분의 배터리 회사가 일반적으로 사용하는 모니터링 방법에는 주로 슬러리 점도, 슬러리 고형분, 코팅 품질 및 다짐 밀도와 같은 매개변수 모니터링이 포함됩니다. 이러한 방법은 프로세스 변동을 어느 정도 모니터링할 수 있지만 충분하지 않습니다. 완성된 배터리의 일관성 모니터링 요구 사항을 충족합니다. 배터리 전극은 배터리 프런트 엔드 프로세스의 중요한 출력입니다. 배터리 전극의 전자 저항(전도도)은 전체 배터리의 전력, 신뢰성 및 안전성에 영향을 미칩니다. 동시에 교반, 코팅 및 압연 공정과 밀접한 관련이 있습니다. 그러므로,
현재 배터리 전극의 전자 저항을 테스트하기 위한 두 가지 주요 원칙이 있습니다: 4-프로브 방법과 2-프로브 방법. 4-프로브 방법은 배터리에서 배터리 전극의 실제 사용과 일치하지 않는 코팅과 집전체의 계면 저항을 무시하고 배터리 전극 표면의 코팅 저항만 특성화할 수 있으므로 리튬 이온 배터리의 배터리 전극의 저항을 테스트하는 데 사용되지 않습니다.1- 2. 2-프로브 방법은 코팅 저항, 코팅 및 전류 수집기 인터페이스의 저항, 전류 수집기 자체의 저항, 테스트 중 전자 전도 경로 및 배터리 전극이 실제로 배터리에 사용될 때 전자 전도 경로는 동일하며 대부분의 회사 및 과학 연구원은 이 방법을 사용하여 배터리 전극의 저항을 특성화합니다.2-4. 이 기사에서 사용된 방법은 2 프로브 방법을 기반으로 추가 개선을 하는 것입니다. 4선 방식은 제어 가능한 전압 이중 디스크 전극을 추가하여 배터리 전극의 전자 저항을 테스트하고 코팅 및 압연 공정에서 배터리 전극 저항의 변화를 모니터링하는 데 사용됩니다. 배터리 셀의 위험 제어는 배터리 전극 끝으로 진행되어 리튬 이온 배터리의 연구 개발 및 생산을 에스코트합니다.
1. 실험장비 및 시험방법
1.1 실험장비: 모델 BER1300 (IEST 초기의 에너지 과학 &앰프 ; 기술 ), 전극지름 14mm, 인가압력 25MPa, 유지시간 25초. ;
장비는 그림 1(a) 및 1(b)에 나와 있습니다.
그림 1.(a) BER1300 외관 다이어그램; (b) BER1300 구조도
1.2 테스트 방법: 압연 배터리 전극을 약 5cm×10cm의 직사각형 크기로 자르고 배터리 전극 저항 측정기의 두 전극 사이에 놓고 MRMS 소프트웨어에서 테스트 압력 및 유지 시간 매개 변수를 설정하고 테스트를 시작합니다. 소프트웨어 자동으로 배터리 전극 두께, 저항, 비저항 및 전도도와 같은 데이터를 읽습니다.
각 배터리 전극은 10개 위치에서 테스트를 위해 무작위로 선택되며 변동 계수 COV는 공식에 따라 계산됩니다.
(1) COV가 클수록 배터리 전극 균일성이 나빠집니다.
(1)여기서 n은 테스트 횟수를 나타내고 R은 모든 테스트 저항의 평균을 나타냅니다.
2.프로세스 모니터링 사례
2.1 배터리 전극 배치 안정성 모니터링
배터리 전극의 저항은 도전제의 분산, 코팅 중량, 냉압 매개변수 등과 같은 다양한 요인에 의해 영향을 받으며 도전제가 저항에 미치는 영향은 매우 큽니다.3. 양극 도전제의 분산은 슬러리 조성, 교반 조건, 코팅/건조 조건 등과 같은 많은 복잡한 공정 제어 매개변수와 관련이 있습니다. 도전제의 불균일한 분산은 배터리 역학 성능을 크게 저하시키지만 불균일성은 통과하기 어려운 필름 외관 및 접착 강도와 같은 기존의 모니터링 방법은 종종 간과되어 돌이킬 수 없는 손실을 초래하는 것으로 나타났습니다.
셀 연구 개발 초기 단계에서 삼원계 배터리 전극 저항에 대한 광범위한 테스트 및 모니터링을 통해 정상적인 배터리 전극 저항 범위인 0.2~0.4Ω이 초기에 설정되었습니다. 셀이 대량 생산에 도입된 후 다양한 배터리 전극 배치의 저항 모니터링이 수행되었습니다. 그림 2(a)는 6개 배치의 배터리 전극에 대해 수행된 배터리 전극 저항 테스트입니다. 검은색 데이터 포인트는 단일 테스트 저항 값을 나타내고 빨간색 데이터 포인트는 평균 저항을 나타내고 녹색 데이터 포인트는 저항 COV를 나타냅니다. 저항 데이터에서 0.4Ω보다 큰 저항을 가진 셀 배터리 전극의 3개 배치가 있음을 알 수 있으며 이는 분명히 사양을 초과합니다. 그림 2(b) 및 2(c)와 같이 정상 및 비정상 배치의 배터리 전극에 대해 추가 SEM 형태 분석을 수행합니다. 정상 배치의 배터리 전극에서 전도성 탄소의 분포가 더 균일하고 전도성 탄소가 비정상적인 배치의 배터리 전극에는 명백한 응집 현상이 있습니다. 배터리 전극의 저항을 테스트할 때 배터리 전극이 다른 위치에서 무작위로 선택되기 때문에 전도성 탄소의 분포가 고르지 않으면 전도성 탄소가 없는 위치에서 배터리 전극의 저항이 크게 증가합니다. 따라서 배터리 전극의 저항 변화를 모니터링하여 배터리 전극단에서 비정상적인 배터리 전극을 빠르게 식별할 수 있으며,
그림 2.(a) 배터리 전극 저항의 6배치; (b) 배치 1 배터리 전극 SEM
이미지; (c) 배치 4 배터리 전극 SEM
이미지;
2.2 배터리 전극 코팅 균일성 모니터링
전지의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 리튬이온 전지의 음극 소재로 실리콘-탄소 혼합 소재에 대한 연구가 점차 증가하고 있다. 전지 전극에서 규소-탄소 혼합 물질 분포의 균일성을 제어하는 방법은 음극의 팽창 및 전위 분포에 상당한 영향을 미칩니다. 다양한 공정 매개변수에서 배터리 전극 저항의 변화를 모니터링하면 실리콘 탄소 재료의 혼합 균일성을 평가할 수 있습니다.
그림 3은 두 혼합 공정의 배터리 전극 저항 테스트 및 SEM 형태 특성 분석 결과를 보여줍니다. 무화과 . 3(a)에서 혼입 1의 배터리 전극 저항과 COV의 평균값이 혼입 2보다 현저히 높음을 알 수 있으며, 이는 혼입 1의 균일도가 혼입 2보다 나쁘다는 것을 의미한다. 그림 3(b) 및 3(c)의 SEM 형태 분석과 결합하면 혼입 1의 전극에서 실리콘과 탄소의 혼합이 균일하지 않고 더 많은 개별 실리콘 입자가 있음을 알 수 있습니다. 전극 저항의 평균값이 증가하고 다른 위치에서 배터리 전극의 저항이 크므로 저항 COV가 크고,
그림 3.(a) 두 종류의 혼합 전극 저항; (b) 혼합 1 배터리 전극의 SEM 이미지; (c) 혼합 2 배터리 전극의 SEM 이미지;
3.결론
본 논문에서는 4와이어 방식과 제어 가능한 전압 이중 디스크 전극 방식을 사용하여 배터리 전극의 저항을 테스트하는데, 이는 배터리 전극 프로세스의 안정성과 균일성을 모니터링하는 데 더 잘 사용할 수 있으며 배터리 전극 저항 데이터 실시간으로 두번 또는 MES 시스템에 연결할 수 있습니다. 기록 가능하고 추적 가능한 데이터를 얻기 위해. 현재 많은 재료 및 배터리 회사는 이 방법을 생산 라인 공정 모니터링에 도입하여 공정 매개변수 및 공정 안정성을 빠르고 효과적으로 평가하고 배터리 코어의 위험 제어를 배터리 전극 끝으로 발전시키고 리튬 개발을 가속화합니다. -이온 배터리는 시장의 요구를 충족시킵니다.
참조
1. 쉬 지에루 , 리 홍 등, 리튬 배터리 연구의 전도도 측정 및 분석 방법 에너지 저장 과학 및 기술, 2018,7(5) 926-955.
2.히로키 곤도 외. 리튬이온전지 양극의 전자전도도에 미치는 활물질의 영향. 전기화학학회지, 2019,166 (8) A1285-A1290
3.비지 베스트팔 등 알 . 고도의 집중 건식 혼합 및 캘린더링이 고급 2점 접근 방식을 통해 결정된 상대 전극 저항에 미치는 영향. 에너지 저장 저널 2017, 11, 76–85
4.닐스 마인슈 외. 배터리 전극의 전기 저항을 측정하기 위한 새로운 접촉 프로브 및 방법 에너지 테크놀 . 2016, 4, 1550-1557