흑연 음극 소재는 인조 흑연과 천연 흑연으로 구분되며, 천연 흑연과 인조 흑연 음극 소재는 높은 전기 전도도, 큰 리튬 이온 확산 계수, 높은 내장 리튬 용량 및 낮은 내장 리튬 전위가 특징입니다.
다른 유형의 리튬 이온 배터리 음극 재료, 천연 흑연 및 인조 흑연은 배터리 특정 용량, 최초 효율, 사이클 수명, 안전성 등의 측면에서 포괄적 인 이점이 있으며 원료는 널리 사용 가능하고 저렴합니다.
흑연 음극재의 기술 지표에는 주로 비표면적, 입자 크기 분포, 진동 밀도, 압축 밀도, 진밀도, 최초 충전/방전 비용량, 최초 효율 등이 포함됩니다. 또한 사이클링 성능, 다중성 성능, 팽창 등과 같은 전기 화학적 지표가 있습니다. 이 문서에서는 흑연 음극의 10가지 기술 지표에 대한 지식을 구체적으로 설명합니다.
목차
흑연 음극의 비표면적
물체의 단위 질량당 표면적을 나타내며, 입자가 작을수록 비표면적이 커집니다.
입자가 작고 비표면적이 높은 음극은 리튬 이온이 이동할 수 있는 채널이 많고 경로가 짧아 다중화 성능은 좋지만 전해질과의 접촉 면적이 넓기 때문에 SEI 필름을 형성하는 면적도 커서 최초 효율이 낮아집니다.
반대로 입자가 크면 압축 밀도가 높아진다는 장점이 있습니다. 흑연 음극재의 비표면적이 5m2/g 미만인 것이 적절합니다.
흑연 음극의 입자 크기 분포
입자 크기가 전기화학적 특성에 미치는 영향은 양극 재료의 입자 크기가 재료의 비표면적뿐만 아니라 재료의 진동 밀도에 직접적인 영향을 미친다는 사실에서 나타납니다. 진동 밀도의 크기는 재료의 벌크 에너지 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다.
동일한 부피의 충전 부품에서 재료의 입자 크기가 클수록, 입자 분포가 넓을수록, 슬러리의 점도가 작을수록 고체 함량을 개선하고 코팅의 어려움을 줄이는 데 더 도움이 됩니다.
또한 흑연 음극 재료의 입자 크기 분포가 넓으면 시스템의 작은 입자가 큰 입자의 틈새를 채울 수 있어 극 조각의 압축 밀도를 높이고 배터리의 체적 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
흑연 음극의 재료의 입자 크기 분포의 특성 파라미터는 D50, D10, D90 및 Dmax이며, 그 중 D50은 입자 크기의 누적 분포 곡선에서 50%의 누적량에 해당하는 입자 크기 값을 나타내며, 이는 재료의 평균 입자 크기로 간주 될 수 있습니다.
또한 재료의 입자 크기 분포의 폭은 K90, K90=(D90-D10)/D50으로 표현할 수 있으며, K90이 클수록 분포가 더 넓어집니다. 흑연 음극 재료의 입자 크기는 주로 준비 방법에 의해 결정되며 흑연 표준에서 입자 크기 매개 변수에 대한 요구 사항은 D50 (약 20 μm), Dmax (≤70 μm) 및 D10 (약 10 μm)입니다.
흑연 음극의 진동 밀도
진동에 의존하면 분말이 더 컴팩트한 파일 형태로 나타나고 단위 부피당 질량이 측정됩니다. 활성 물질을 측정하는 중요한 지표이며, 리튬 이온 배터리 부피는 제한되어 있으며 진동 밀도가 높으면 단위 부피당 활성 물질 질량이 높고 부피 용량이 높습니다.
흑연 음극의 압축 밀도
주로 극 조각의 경우 압연 후 극 조각에 만들어진 양극 활성 물질 및 바인더 등의 밀도를 말하며, 압축 밀도 = 표면 밀도 / (밀링 후 극 조각의 두께에서 동박의 두께를 뺀 값).
압축 밀도는 극 조각의 특정 용량, 효율성, 내부 저항 및 배터리 사이클 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 압축 밀도가 높을수록 단위 부피당 활성 물질이 많을수록 용량이 커집니다.
그러나 동시에 기공이 감소하고 전해질 흡수 성능이 저하되고 습윤성이 감소하며 내부 저항이 증가하며 리튬 이온이 용량 증가에 불리한 대신 매립 및 제거가 어렵습니다. 압축 밀도에 영향을 미치는 요인: 입자의 크기, 분포 및 형태가 영향을 미칩니다.
흑연 음극의 실제 밀도
절대 밀도 상태(내부 공극 제외)에서 흑연 음극 재료의 단위 부피당 고체 재료의 무게입니다. 실제 밀도는 밀도가 높은 상태에서 측정되므로 진동 밀도보다 높습니다. 일반적으로 실제 밀도 > 압축 밀도 > 진동 밀도 순입니다.
첫 충전/방전 특정 용량
리튬 이온 배터리의 첫 번째 충전 과정에서 흑연 음극 재료 표면에 리튬 이온이 매립되면서 전해질의 용매 분자가 함께 매립되고 흑연 음극 재료의 표면에서 분해되어 SEI 패시베이션 필름이 형성됩니다. 흑연 음극 표면이 SEI 필름으로 완전히 덮인 후에야 용매 분자가 포함될 수 없으며 반응이 중지됩니다.
SEI 필름의 생성은 방전 과정에서 양극 표면에서 제거 할 수없는 리튬 이온의 일부를 소비하여 첫 번째 방전의 비 용량을 감소시킵니다.
최초의 쿨롱 효율
흑연 음극 재료의 성능을 나타내는 중요한 지표는 첫 번째 쿨롱 효율이라고도 하는 첫 번째 충전/방전 효율입니다. 충전 및 방전 과정에서 일부 리튬 이온은 양극에서 분리되어 양극에 내장되지만 충전 및 방전 사이클에 참여하기 위해 양극으로 돌아갈 수 없어 첫 번째 쿨롱 효율이 <100%가 됩니다.
리튬 이온의이 부분이 양극으로 돌아갈 수없는 이유 : (1) 비가역적 임베디드 리튬의 일부가 존재하고, (2) 양극 표면에 SEI 필름이 형성되어 SEI 필름이 쿨롱 효율에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
SEI 필름은 대부분 전극 재료의 표면에 형성되기 때문에 전극 재료의 비표면적이 SEI 필름의 형성 면적에 직접적인 영향을 미치며, 비표면적이 클수록 전해질과의 접촉 면적이 커지고 SEI 필름의 형성 면적도 커집니다.
일반적으로 안정적인 SEI 필름의 형성은 배터리의 충전 및 방전에 유리하며, 이러한 종류의 불안정한 SEI 필름은 반응에 해롭고 전해질을 지속적으로 소비하고 SEI 필름의 두께를 두껍게하며 내부 저항을 증가시키는 것으로 믿어집니다.
사이클링 성능
사이클링 성능 측면에서 SEI 필름은 리튬 이온의 확산에 일정한 장애가 있으며 사이클 횟수가 증가함에 따라 SEI 필름이 계속 떨어지고 벗겨지고 양극 표면에 침전되어 흑연 양극의 내부 저항이 점진적으로 증가하여 열 축적 및 용량 손실을 초래할 수 있습니다.
흑연 음극의 확대 성능
흑연 음극재에서 리튬 이온의 확산은 방향성이 강하기 때문에 흑연 결정의 C축 측면의 끝면에 수직으로만 삽입할 수 있습니다. 입자가 작고 비표면적이 높은 흑연 음극재는 멀티플리티 성능이 더 우수합니다. 또한 전극 표면 저항(SEI 필름에 의해 발생)과 전극 전도도도 멀티플리티 성능에 영향을 미칩니다.
사이클 수명 및 팽창과 마찬가지로 리튬 이온 수송 채널이 많은 등방성 음극은 이방성 구조에서 삽입 및 분리 입구가 적고 확산 속도가 낮은 문제를 해결하여 고전류 충전 및 방전에도 유용합니다.
확장 속성
팽창과 사이클 수명은 양의 상관관계가 있습니다. 흑연 음극이 팽창하면 (1) 코어 변형, 음극 입자의 미세 균열, SEI 필름의 파열 및 재구성, 전해질 소모, 사이클 성능 저하를 유발합니다;
(2) 리튬 배터리 분리기 은 특히 러그의 직각 가장자리에서 압착되어 더 심각하며 충전 및 방전 주기에 따라 미세 단락 또는 미세 리튬 금속 침전이 발생하기 매우 쉽습니다.
팽창량은 흑연 음극의 방향, 방향 = I004/I110과 관련이 있으며, 이방성 흑연 음극 재료는 리튬 임베딩 공정 중에 격자를 동일한 방향(흑연 결정의 C축 방향)으로 확장하는 경향이 있어 배터리의 부피 팽창이 더 큽니다(XRD 데이터로 계산 가능).
리튬 배터리용 흑연 음극의 10가지 기술 지표
흑연 음극 소재는 인조 흑연과 천연 흑연으로 구분되며, 천연 흑연과 인조 흑연 음극 소재는 높은 전기 전도도, 큰 리튬 이온 확산 계수, 높은 내장 리튬 용량 및 낮은 내장 리튬 전위가 특징입니다.
다른 유형의 리튬 이온 배터리 음극 재료, 천연 흑연 및 인조 흑연은 배터리 특정 용량, 최초 효율, 사이클 수명, 안전성 등의 측면에서 포괄적 인 이점이 있으며 원료는 널리 사용 가능하고 저렴합니다.
흑연 음극재의 기술 지표에는 주로 비표면적, 입자 크기 분포, 진동 밀도, 압축 밀도, 진밀도, 최초 충전/방전 비용량, 최초 효율 등이 포함됩니다. 또한 사이클링 성능, 다중성 성능, 팽창 등과 같은 전기 화학적 지표가 있습니다. 이 문서에서는 흑연 음극의 10가지 기술 지표에 대한 지식을 구체적으로 설명합니다.
흑연 음극의 비표면적
물체의 단위 질량당 표면적을 나타내며, 입자가 작을수록 비표면적이 커집니다.
입자가 작고 비표면적이 높은 음극은 리튬 이온이 이동할 수 있는 채널이 많고 경로가 짧아 다중화 성능은 좋지만 전해질과의 접촉 면적이 넓기 때문에 SEI 필름을 형성하는 면적도 커서 최초 효율이 낮아집니다.
반대로 입자가 크면 압축 밀도가 높아진다는 장점이 있습니다. 흑연 음극재의 비표면적이 5m2/g 미만인 것이 적절합니다.
흑연 음극의 입자 크기 분포
입자 크기가 전기화학적 특성에 미치는 영향은 양극 재료의 입자 크기가 재료의 비표면적뿐만 아니라 재료의 진동 밀도에 직접적인 영향을 미친다는 사실에서 나타납니다. 진동 밀도의 크기는 재료의 벌크 에너지 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다.
동일한 부피의 충전 부품에서 재료의 입자 크기가 클수록, 입자 분포가 넓을수록, 슬러리의 점도가 작을수록 고체 함량을 개선하고 코팅의 어려움을 줄이는 데 더 도움이 됩니다.
또한 흑연 음극 재료의 입자 크기 분포가 넓으면 시스템의 작은 입자가 큰 입자의 틈새를 채울 수 있어 극 조각의 압축 밀도를 높이고 배터리의 체적 에너지 밀도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
흑연 음극의 재료의 입자 크기 분포의 특성 파라미터는 D50, D10, D90 및 Dmax이며, 그 중 D50은 입자 크기의 누적 분포 곡선에서 50%의 누적량에 해당하는 입자 크기 값을 나타내며, 이는 재료의 평균 입자 크기로 간주 될 수 있습니다.
또한 재료의 입자 크기 분포의 폭은 K90, K90=(D90-D10)/D50으로 표현할 수 있으며, K90이 클수록 분포가 더 넓어집니다. 흑연 음극 재료의 입자 크기는 주로 준비 방법에 의해 결정되며 흑연 표준에서 입자 크기 매개 변수에 대한 요구 사항은 D50 (약 20 μm), Dmax (≤70 μm) 및 D10 (약 10 μm)입니다.
흑연 음극의 진동 밀도
진동에 의존하면 분말이 더 컴팩트한 파일 형태로 나타나고 단위 부피당 질량이 측정됩니다. 활성 물질을 측정하는 중요한 지표이며, 리튬 이온 배터리 부피는 제한되어 있으며 진동 밀도가 높으면 단위 부피당 활성 물질 질량이 높고 부피 용량이 높습니다.
흑연 음극의 압축 밀도
주로 극 조각의 경우 압연 후 극 조각에 만들어진 양극 활성 물질 및 바인더 등의 밀도를 말하며, 압축 밀도 = 표면 밀도 / (밀링 후 극 조각의 두께에서 동박의 두께를 뺀 값).
압축 밀도는 극 조각의 특정 용량, 효율성, 내부 저항 및 배터리 사이클 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 압축 밀도가 높을수록 단위 부피당 활성 물질이 많을수록 용량이 커집니다.
그러나 동시에 기공이 감소하고 전해질 흡수 성능이 저하되고 습윤성이 감소하며 내부 저항이 증가하며 리튬 이온이 용량 증가에 불리한 대신 매립 및 제거가 어렵습니다. 압축 밀도에 영향을 미치는 요인: 입자의 크기, 분포 및 형태가 영향을 미칩니다.
흑연 음극의 실제 밀도
절대 밀도 상태(내부 공극 제외)에서 흑연 음극 재료의 단위 부피당 고체 재료의 무게입니다. 실제 밀도는 밀도가 높은 상태에서 측정되므로 진동 밀도보다 높습니다. 일반적으로 실제 밀도 > 압축 밀도 > 진동 밀도 순입니다.
첫 충전/방전 특정 용량
리튬 이온 배터리의 첫 번째 충전 과정에서 흑연 음극 재료 표면에 리튬 이온이 매립되면서 전해질의 용매 분자가 함께 매립되고 흑연 음극 재료의 표면에서 분해되어 SEI 패시베이션 필름이 형성됩니다. 흑연 음극 표면이 SEI 필름으로 완전히 덮인 후에야 용매 분자가 포함될 수 없으며 반응이 중지됩니다.
SEI 필름의 생성은 방전 과정에서 양극 표면에서 제거 할 수없는 리튬 이온의 일부를 소비하여 첫 번째 방전의 비 용량을 감소시킵니다.
최초의 쿨롱 효율
흑연 음극 재료의 성능을 나타내는 중요한 지표는 첫 번째 쿨롱 효율이라고도 하는 첫 번째 충전/방전 효율입니다. 충전 및 방전 과정에서 일부 리튬 이온은 양극에서 분리되어 양극에 내장되지만 충전 및 방전 사이클에 참여하기 위해 양극으로 돌아갈 수 없어 첫 번째 쿨롱 효율이 <100%가 됩니다.
리튬 이온의이 부분이 양극으로 돌아갈 수없는 이유 : (1) 비가역적 임베디드 리튬의 일부가 존재하고, (2) 양극 표면에 SEI 필름이 형성되어 SEI 필름이 쿨롱 효율에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
SEI 필름은 대부분 전극 재료의 표면에 형성되기 때문에 전극 재료의 비표면적이 SEI 필름의 형성 면적에 직접적인 영향을 미치며, 비표면적이 클수록 전해질과의 접촉 면적이 커지고 SEI 필름의 형성 면적도 커집니다.
일반적으로 안정적인 SEI 필름의 형성은 배터리의 충전 및 방전에 유리하며, 이러한 종류의 불안정한 SEI 필름은 반응에 해롭고 전해질을 지속적으로 소비하고 SEI 필름의 두께를 두껍게하며 내부 저항을 증가시키는 것으로 믿어집니다.
사이클링 성능
사이클링 성능 측면에서 SEI 필름은 리튬 이온의 확산에 일정한 장애가 있으며 사이클 횟수가 증가함에 따라 SEI 필름이 계속 떨어지고 벗겨지고 양극 표면에 침전되어 흑연 양극의 내부 저항이 점진적으로 증가하여 열 축적 및 용량 손실을 초래할 수 있습니다.
흑연 음극의 확대 성능
흑연 음극재에서 리튬 이온의 확산은 방향성이 강하기 때문에 흑연 결정의 C축 측면의 끝면에 수직으로만 삽입할 수 있습니다. 입자가 작고 비표면적이 높은 흑연 음극재는 멀티플리티 성능이 더 우수합니다. 또한 전극 표면 저항(SEI 필름에 의해 발생)과 전극 전도도도 멀티플리티 성능에 영향을 미칩니다.
사이클 수명 및 팽창과 마찬가지로 리튬 이온 수송 채널이 많은 등방성 음극은 이방성 구조에서 삽입 및 분리 입구가 적고 확산 속도가 낮은 문제를 해결하여 고전류 충전 및 방전에도 유용합니다.
확장 속성
팽창과 사이클 수명은 양의 상관관계가 있습니다. 흑연 음극이 팽창하면 (1) 코어 변형, 음극 입자의 미세 균열, SEI 필름의 파열 및 재구성, 전해질 소모, 사이클 성능 저하를 유발합니다;
(2) 리튬 배터리 분리기 은 특히 러그의 직각 가장자리에서 압착되어 더 심각하며 충전 및 방전 주기에 따라 미세 단락 또는 미세 리튬 금속 침전이 발생하기 매우 쉽습니다.
팽창량은 흑연 음극의 방향, 방향 = I004/I110과 관련이 있으며, 이방성 흑연 음극 재료는 리튬 임베딩 공정 중에 격자를 동일한 방향(흑연 결정의 C축 방향)으로 확장하는 경향이 있어 배터리의 부피 팽창이 더 큽니다(XRD 데이터로 계산 가능).
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