휴대전화를 사용하거나 전기차를 운전하면서(둘을 동시에 사용하지는 마세요), 여러분은 리튬 이온 배터리가 에너지 세계를 장악하고 있음을 깨달으셨을 것입니다. 리튬 이온 배터리는 휴대용 전자제품과 필수 의료 장비, 전기차, 재생에너지 저장 장치에 전력을 공급합니다. 시장이 확장됨에 따라 연구원들은 생산 시간과 비용을 최소화하면서도 더욱 높은 신뢰성과 안전성을 갖춘 강력한 리튬 이온 배터리를 제작하는 방법을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

새로운 배터리가 개발되는 가운데 여전히 안전은 최우선적인 우려로 남아 있습니다. 리튬 이온 배터리는 열, 전기 및 기계적 남용을 통해 과열되면서 때로 열 폭주나 연소로 이어지는 경향이 있기 때문입니다.

열분석 기술은 배터리 재료가 열 스트레스에 어떻게 반응하는지 설명함으로써 더욱 안전하고 성능이 우수한 배터리 개발에 도움이 됩니다.  배터리 열 관리 시스템은 열분석에서 얻은 열 속성 정보를 바탕으로 배터리 재료가 열화되는 지점 이하로 작동 온도를 유지함으로써 보다 안전한 배터리 제작을 뒷받침하는 수많은 예시 중 하나일 뿐입니다.

다음 연구 사례에서는 세계 최고의 리튬 이온 배터리 개발 연구소에서 TGA, DSC, TGA-MS의 열분석 기술을 사용하여 혁신적인 제품 설계 및 테스트를 지원하는 모습이 강조되어 있습니다.

DSC(시차 주사 열량계)는 시료의 재료를 가열/냉각하거나 등온 상태로 유지할 때 흡수되거나 방출되는 열을 측정합니다.  시료의 재료와 표준물질 간의 열 흐름 차이를 비교하여 열 흐름이 측정됩니다.  DSC는 배터리 재료의 열용량 및 융점(T_m), 융해열, 유리 전이(T_g)와 같은 상전이에 대한 통찰력을 제공합니다.

리튬 이온 배터리는 일반적으로 -20~60°C의 온도 범위 내에서 작동하지만, 기계적 남용이나 전기적, 열적 남용으로 배터리 내부의 과도한 온도 상승 및 하강이 발생하여 열 폭주라는 참사가 발생할 수도 있습니다.  열 폭주의 열역학적 매커니즘과 운동 메커니즘의 정확한 특성에 대해서는 여전히 활발한 연구가 이루어지고 있습니다.  연구에 따르면 열 폭주의 초기 단계는 약 80~120°C에서 고체 전해액 계면(SEI)이 분해되면서 시작됩니다. 온도가 점차적으로 상승하면 배터리의 다른 물질이 분해되고 상호 작용하기 시작합니다.

Purdue University의 Zhou 등이 진행한 혁신적인 연구에서는 TA Instruments DSC를 활용하여 열폭주를 이해하고 예측하기 위한 계산 모델을 구축했습니다.  이 연구는 배터리 전극 간 상호 작용이 단일 셀 수준에서 치명적인 안전 문제를 유발한다는 것을 증명했습니다.  통찰력을 제공하는 이 연구는 열 폭주의 메커니즘을 이해함에 있어 한 걸음 나아갔으며, 그에 따라 배터리 안전에 대한 더 깊은 이해도 제공합니다.

TGA(열중량분석기)는 매우 민감한 분석용 저울로, 프로그래밍 방식으로 물질을 가열하며 물질의 질량 변화를 측정합니다. 질량 손실은 분해나 기화가 일어났을 가능성을 나타내며, 질량 증가는 흡착이 발생하거나 물질이 기체 환경과 반응하고 있음을 나타냅니다. 배터리 개발자들은 TGA를 사용하여 산화, 열 열화, 열 안정성을 정량화합니다. TGA는 배터리 재료의 열화가 시작하는 온도를 설명하여 적절한 재료를 선택하고 장기간 지속되는 고성능 배터리 제작을 뒷받침합니다.

시판되는 리튬 이온 배터리는 유기 기반의 탄산염 용매를 사용합니다.  이러한 유기 탄산염 용매의 단점이 한 가지 있다면 고온에서 가연성을 띌 가능성이 있다는 점입니다.  유기 탄산염 용매의 대안은 폴리머 및 겔 기반 전해액입니다.  Cresce 등은 TA Instruments TGA를 사용하여 수성 기반 리튬 이온 배터리에서 제조 친화적인 아크릴레이트 겔 전해액 시스템을 테스트했습니다. 이들은 90°C 이상에서 겔의 조성 변화가 일어난다는 것을 발견했습니다. 따라서 이들이 개발한 배터리는 70°C에서 열화가 발생하는 LiPF₆ 염을 사용한 최첨단 유기 전해액 배터리보다 온도 측면에서 우수합니다. Cresce 연구팀은 TGA를 사용하여 다양한 온도에서 겔 전해액의 무게 변화를 정확하게 측정함으로써 설계의 안전성에 대한 확신을 가질 수 있었습니다.

Kohlmeyer 등은 다른 접근 방식을 통해 고온 배터리 작동을 위한 새로운 전해액 및 분리막 조합을 설계했습니다. 이들은 TA Instruments TGA에서 멤브레인의 열 안정성을 연구했습니다.  멤브레인 및 전해액 시스템을 갖춘 LiFePO₄//흑연은 120°C에서 작동해 기존 리튬 이온 배터리의 작동 온도보다 순환 성능이 훨씬 우수한 것으로 나타났습니다. 이 연구가 가져다준 혁신은 역사상 가장 높은 온도에서 안전하게 작동하는 리튬 이온 배터리의 미래를 위한 길을 열어줍니다.

상기의 예는 DSC 및 TGA가 배터리 재료의 열 프로파일을 측정에 기여함으로써 배터리 재료 및 안전성 향상에 크게 도움을 준다는 것을 보여줍니다. 과학자들은 이러한 방법과 EGA(방출 기체 분석)의 보완적 기술을 함께 활용할 수도 있습니다.  배터리 연구원들은 EGA를 사용하여 TGA에서 열 측정 중에 발생하는 가스를 이해할 수 있습니다.

TGA-MS는 TGA(열중량분석기)와 질량 분석법(MS)을 결합하여 열 안정성 데이터와 방출된 가스의 화학적 조성에 대한 통찰력을 제공하는 기술입니다(GC/MS 및 FT-IR를 TGA에 연결할 수도 있습니다). .  한 가지 장점을 꼽자면 간단한 TGA 실험에도 필요한 추가 시료 준비가 필요하지 않다는 점입니다.

LiPF₆와 같은 기존의 리튬염은 열 분해 중에 불화수소산(HF)과 같이 유독하며 위험한 기체 생성물을 방출할 수 있습니다.  많은 연구자들이 전통적인 리튬염에 대한 대안을 찾아내 보다 안전한 리튬 이온 배터리 제작할 수 있도록 연구에 박차를 가하고 있습니다.  Paillet 등은 리튬 이온 배터리용 리튬 4,5-dicyano-2-(트리플루오로메틸) 이미다졸리드(LiTDI) 염의 특성 분석에 있어 TA Instruments의 TGA-MS가 제공하는 성능을 입증했습니다. 해당 연구에서는 일반적으로 사용되는 LiPF₆염과 LiTDI 염을 비교하였습니다.  Paillet의 연구에 따르면 LiTDI와 LiPF₆의 열 안정성을 비교한 결과 LiTDI가 크게 우수했습니다(285°C vs. 164°C).  또한 HF 가스 발생 측면에서도 LiTDI가 더 안전하다는 것을 보여주었습니다.   이들은 TGA-MS 연구에서 온도의 함수로 m/z 19를 플로팅하여 이를 달성했습니다. LiTDI는 LiPF₆에 비해 HF의 발생이 적으면서도 LiPF₆과 유사한 전력 성능을 보임으로써 안전성이 크게 개선된 미래의 리튬 이온 배터리에 대한 사용 가능성이 높은 유망한 전해액으로 보입니다.

DSC, TGA, TGA-MS는 지금까지 이야기한 발견에서 매우 중요한 역할을 했습니다. 상세한 배터리 재료 분석에서 전체 배터리 성능에 이르기까지, 연구자들은 이러한 기술을 활용하여 특정 조건에서 안전하고 효과적인 설계가 어떤 것인지 측정할 수 있었습니다. 이들의 목표는 리튬 이온 배터리의 기능을 강화하여 고온에서 성능을 향상시키는 것이었으며, 리튬 이온 배터리가 일상적인 기기와 애플리케이션에서 사용되는 빈도가 늘어남에 따라 이러한 트렌드는 계속될 것으로 보입니다.

*참고: 이 참고 자료에 사용된 장비 중 일부는 이전 세대의 모델을 사용합니다. 이 문서에 링크된 계측기는 최신 모델을 하이라이트하고 있으며, 테스트 기능에 대한 자세한 정보를 제공합니다.