배터리 셀이란 무엇입니까?
세포 구조
"셀"이라고도 하는 단일 배터리는 배터리 시스템의 가장 작은 단위입니다. 그림 7-1과 같이 주로 음극(Cathode Electrode), 양극(Anode Electrode), 전해질(Electrolyte), 분리막(Separator), 케이스(Case)로 구성된다.
리튬-이온 전지의 전극 시트는 복합 재료로 분류될 수 있으며 주로 다음 네 부분으로 구성됩니다.
1)리튬이온을 흡장 또는 탈리시키는 활물질 입자; 음극 입자는 리튬 공급원을 제공하는 반면, 양극 입자는 리튬 이온을 수용합니다.
2) 도전제와 집전체의 혼합물에 의해 형성된 도전상(탄소겔상)으로, 바인더는 결합 기능을 수행한다. 코팅은 집전체와 전도성 물질을 통해 전자를 전도합니다.
3)전극 시트 내에서 리튬{1}}이온 수송을 위한 채널 역할을 하는 전해질로 채워진 기공.
4) 전류 수집가.
전기화학 공정 중 전극 코팅은 주로 다음 4가지 공정을 포함합니다.
1)전자 수송.
2)이온 수송.
3)전해질/전극 입자 계면에서의 전하 교환, 즉 전기화학 반응.
4)고상 내 리튬 이온의 확산. 전극 시트의 미세 구조에서 입자 크기와 분포는 리튬{2}}이온 확산 경로와 전기화학 반응의 비표면적에 영향을 미칩니다. 기공 크기와 분포는 전해질의 이동 과정에 영향을 미칩니다. 다공성은 활성 물질의 양과 전기화학 반응의 비표면적에 영향을 미칩니다. 이러한 모든 미세 구조 특성은 궁극적으로 배터리 성능에 영향을 미칩니다.
음극 구조
셀 양극은 주로 LiCoO2 등 양극재와 도전재, 바인더(PVDF), 집전체(알루미늄 호일), 그림 7-2와 같이.
리튬-이온 배터리의 경우 양극 집전체는 일반적으로 알루미늄 호일이고 양극 집전체는 다음과 같습니다.구리박. 배터리 내부 집전체의 안정성을 보장하려면 두 가지 모두 순도가 98% 이상이어야 합니다. 리튬{3}}이온 배터리가 양극에 알루미늄 호일을, 음극에 구리 호일을 사용하는 이유는 다음 3가지입니다.
1) 구리와 알루미늄은 전기 전도성이 좋고 질감이 부드러우며 가격이 저렴합니다. 리튬-이온 배터리의 작동 원리는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기화학 장치입니다. 이 과정에서 화학에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서는 매질이 필요하며, 이를 위해서는 전도성 물질이 필요하다. 일반재료 중에서는 금속이 전기전도도가 가장 좋으며, 금속 중에서 구리와 알루미늄은 동박, 알루미늄박 형태로 전도성이 우수하고 가격도 상대적으로 저렴하다. 리튬-이온 배터리에는 주로 와인딩과 스택의 두 가지 가공 방법이 있습니다. 스태킹과 비교하여 와인딩은 배터리를 준비하는 데 사용되는 전극 시트가 와인딩 중에 전극 시트가 부서지거나 파손되지 않도록 특정 유연성을 가져야 합니다. 금속 재료 중 구리와 알루미늄박은 부드럽고, 상대적으로 단단한 구리/알루미늄박은 비싸고, 구리와 알루미늄박은 상대적으로 저렴하며, 구리와 알루미늄 자원은 전 세계적으로 풍부합니다.
2) 구리와 알루미늄 호일은 공기 중에서 비교적 안정적입니다. 알루미늄은 공기 중의 산소와 쉽게 화학적으로 반응하여 표면에 치밀한 산화막을 형성하여 알루미늄의 추가 반응을 방지합니다. 구리/알루미늄의 산화막은 또한 전해질의 알루미늄에 특정 보호 효과를 제공합니다. 구리 자체는 공기 중에서 상대적으로 안정적이며 기본적으로 건조한 공기에서 화학 반응을 일으키지 않습니다.
3)리튬{1}}이온 배터리의 양극 및 음극 전위는 양극에 알루미늄 호일을 사용하고 음극에 구리 호일을 사용하는 것을 결정하며, 이는 역전될 수 없습니다. 음극 전위가 높고 동박은 고전위에서 쉽게 산화되는 반면, 알루미늄은 산화 전위가 높고 표면층에 치밀한 산화막이 있어 내부 알루미늄을 잘 보호합니다.
금속 알루미늄의 결정 격자에서 구리와 알루미늄은 Li와 비슷한 크기를 가지며 Li와 LiAl과 같은 금속간 화합물을 쉽게 형성할 수 있습니다. Li와 Al은 화학식 LiAl의 합금을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 Li₉Al₄,Li₃Al2,Li₅Al 및 Li2Al 합금층을 형성할 수도 있습니다. 이러한 합금층은 다량의 Li를 소모하고 Al 자체의 구조와 형태를 손상시키므로 리튬-이온 배터리의 음극 집전체로 사용할 수 없습니다. Cu는 배터리 충전- 중에 용해가 거의 발생하지 않고 구조적, 전기화학적 안정성을 유지하므로 리튬-이온 배터리용 양극 집전체로 적합합니다. 3.5V에서 구리 호일의 경우 분극 전류가 크게 증가하기 시작하고 산화가 강화되면서 선형적으로 증가합니다. 이는 Cu도 배터리에 용해되기 시작함을 나타냅니다. 전체 분극 전위 범위에 걸쳐 알루미늄 호일의 경우 분극 전류가 작고 안정적이며 뚜렷한 부식 현상이 관찰되지 않아 전기화학적 안정성을 유지합니다. 리튬-이온 전지의 양극 전위 범위에서 Al의 용해량이 매우 적고 전기화학적 안정성을 유지할 수 있으므로 리튬-이온 전지의 양극 집전체로 적합합니다.
구리/알루미늄 표면의 산화물 층은 반도체에 속하며 전자를 전도합니다. 산화물 층이 너무 두꺼우면 임피던스가 큽니다. 알루미늄 표면의 산화알루미늄층은 절연체로 전기를 전도할 수 없지만 매우 얇기 때문에 터널링 효과를 통해 전자 전도가 이루어집니다. 산화물 층이 두꺼우면 구리/알루미늄 호일의 전도성이 떨어지거나 심지어 절연성이 떨어집니다. 일반적으로 구리/알루미늄 호일은 사용 전 산화층을 깨끗이 닦아 기름을 제거하고 두꺼운 산화층을 제거해야 합니다. 음극 전위가 높고 산화알루미늄층이 매우 조밀하여 집전체의 산화를 방지할 수 있습니다. 구리/니켈 등의 산화물층은 상대적으로 느슨해 집전체를 쉽게 방지하고 더 나은 배터리 성능을 제공합니다. 동시에, 리튬-이온 배터리의 양극 전위는 낮으며, 구리/니켈은 구리/니켈 표면에서 산화/구리/탈리튬화 반응이 일어나는 산화 반응을 겪는 반면, 알루미늄은 높은 전위에서 LiAl 합금화를 겪습니다.
집전체에는 순수한 구성이 필요합니다. Al의 불순물은 표면 피막의 밀도를 낮추어 공식 부식을 일으키고, 더욱 심각하게는 표면 피막의 파괴로 인해 LiAl 합금이 형성됩니다.
집전체에는 순수한 구성이 필요합니다. Al의 불순물로 인해 표면 피막의 밀도가 낮아지고 공식이 발생하며, 더 심각한 경우 표면 피막이 파괴되어 LiAl 합금이 형성됩니다.
리튬-이온 배터리의 경우 양극 알루미늄 호일은 16μm에서 14μm, 그 다음에는 12μm로 감소했으며 현재 10μm 알루미늄 호일은 이미 대량 생산 중이며 일부는 8μm를 사용하기도 합니다. 양극 동박의 경우 유연성이 좋아 기존 12μm에서 10μm, 8μm로 두께를 줄였으며, 현재 배터리의 상당 부분이 6μm를 사용하여 대량 생산되고 있으며-일부 제조업체에서는 잠재적으로 사용 가능한 5μm/4μm를 개발하고 있습니다. 리튬-이온 배터리는 사용되는 동박에 대해 높은 순도 요구 사항을 갖기 때문에 재료 밀도는 기본적으로 동일한 수준입니다. 개발 중인 두께가 감소함에 따라 면적 밀도도 감소하고, 배터리의 무게도 자연스럽게 점점 가벼워져 리튬{16}}이온 배터리 수요를 충족합니다.
집전체의 경우 리튬{0}}이온 배터리에 영향을 미치는 두께와 무게 외에도 집전체의 표면 특성도 배터리 생산 및 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 특히 양극 집전체의 경우 제조 기술의 결함으로 인해 시중에 판매되는 동박은 주로 단면 조면화, 양면- 조면화, 양면 조면화 등이 있습니다. 이러한 비대칭 양면 구조는 양면의 양극 코팅의 비대칭 접촉 저항을 초래하여 양면의 양극 용량이 균일하게 방출되는 것을 방지합니다. 동시에 양면의 비대칭으로 인해 양극 코팅의 접착 강도가 일관되지 않아 양면 양극 코팅의 충전-방전 주기 수명이 심각하게 불균형해지고 결과적으로 배터리 용량 감소가 가속화됩니다.
단일 셀의 양극 제제는 셀의 핵심 핵심 기술입니다. 아래는 예입니다:
1)LiCoO2(10μm): 96.0%.
2)전도제(카본 ECP): 2.0%.
3)결합제(PVDF 761): 2.0%.
4)접착촉진제(NMP) : 고형물의 중량비율은 약 810:1496이다.
음극 제제 주의사항:
1)6000cP(1cP=1mPa·s)(온도 25도)에서 음극 슬러리 점도 제어.
2) NMP의 중량은 점도 요구사항을 충족하도록 적절하게 조정되어야 합니다.
3) 온도와 습도가 점도에 미치는 영향에 특히 주의하십시오.
음극 재료 리튬 코발트 산화물: 음극 활물질, 리튬 이온 공급원은 배터리에 리튬 공급원을 제공합니다. 비극성 물질, 불규칙한 모양, 입자 크기 D50 일반적으로 6~8μm, 수분 함량 0.2% 이하, 일반적으로 알칼리성, pH 10~11.
음극 재료 리튬 망간 산화물: 비극성 물질, 불규칙한 모양, 입자 크기 D50 일반적으로 5-7μm, 수분 함량 0.2% 이하, 일반적으로 약알칼리성, pH 약 8.
전도성 물질: 사슬형-물질, 수분 함량<1%, particle size generally 1~5um.Superconductive carbon black with excellent conductivity is usually used, such as KetjenblackCarbon ECP and ECP600JD. lts function is to improve the conductivity of the cathode material,compensate for the electronic conductivity of the cathode active material; increase the electrolyteabsorption of the cathode sheet, expand the reaction interface, and reduce polarization.
바인더(PVDF): 비극성 물질, 사슬형-, 분자량 범위 300,000~3000000; 수분 흡수 후 분자량이 감소하여 접착력이 저하됩니다. 리튬 코발트 산화물, 도전제 및 알루미늄 호일 또는 알루미늄 메쉬를 함께 결합하는 데 사용됩니다. 접착 촉진제(NMP): 약한 극성 액체로 PVDF를 용해/팽윤시키고 동시에 슬러리를 희석하는 데 사용됩니다.
전류 집전체(음극 탭): 알루미늄 호일 또는 알루미늄 스트립으로 제작됩니다.
양극 구조
셀 양극 구조는 그림 7-3과 같이 흑연재료, 도전제, 증점제(CMC), 바인더(SBR), 집전체(구리박)로 구성된다.
단일 셀의 양극 제제도 일반적으로 다음과 같이 셀의 핵심 핵심 기술 중 하나입니다.
1)음극재(흑연) : 94.5%.
2)전도제(카본 ECP): 1.0%(케첸블랙).
3)결합제(스티렌-부타디엔 고무 라텍스, SBR): 2.25%.
4)증점제(카르복시메틸셀룰로오스, CMC): 2.25%.
5)물 : 고형물의 중량비는 1600:1417.5이다.
양극 제제 주의 사항:
1) 5000-6000cP(온도 25도)에서 양극 슬러리 점도 조절.
2) 점도 요구 사항을 충족하려면 물의 무게를 적절하게 조정해야 합니다.
3) 온도와 습도가 점도에 미치는 영향에 특히 주의하십시오.
흑연 : 음극반응을 구성하는 주요 물질인 음극활물질로 크게 천연흑연과 인조흑연으로 구분된다. 비극성 물질은 비극성 물질에 의해 쉽게 오염되고,-비극성 물질에 쉽게 분산됩니다.- 물을 흡수하기 쉽지 않고 물에 분산되기 쉽지 않습니다. 오염된 흑연은 물에 분산된 후 다시 응집되는 경향이 있습니다.- 일반적인 입자 크기 D50은 약 20μm입니다. 입자 모양은 다양하고 대부분 불규칙하며 주로 구형, 박편상, 섬유상 등입니다.
전도성 에이전트의 기능:
1)음극 시트의 전도성을 향상시키고, 음극 활물질의 전자 전도성을 보상한다.
2) 반응 깊이와 활용률을 높입니다.
3) 수상돌기의 생성을 방지합니다.
4) 전도성 물질의 액체-흡수 능력을 활용하여 반응 계면을 높이고 분극을 줄입니다(흑연 입자 크기 분포에 따라 첨가하거나 첨가하지 않을 수 있음).
첨가제: 비가역적 반응을 줄이고, 결합 강도와 슬러리 점도를 높이며, 슬러리 침전을 방지합니다.
증점제/{0}}침강 방지제(CMC): 고분자 화합물로 물과 극성 용매에 쉽게 용해됩니다.
이소프로판올: 약한 극성 물질; 첨가 후 결합제 용액의 극성을 감소시키고 흑연과 결합제 용액 사이의 상용성을 향상시킬 수 있습니다. 강력한 소포 효과가 있습니다. 바인더 네트워크의 -가교 결합을 쉽게 촉진하고 결합 강도를 향상시킵니다.
에탄올: 약한 극성 물질; 첨가 후 결합제 용액의 극성을 감소시키고 흑연과 결합제 용액 사이의 상용성을 향상시킬 수 있습니다. 강력한 소포 효과가 있습니다. 바인더의 선형 가교를 쉽게 촉매하고{0}}결합 강도를 향상시킵니다. (이소프로판올과 에탄올의 기능은 본질적으로 동일합니다. 대량 생산 시 비용 요소를 고려하여 어느 것을 추가할지 선택할 수 있습니다.)
수성-기반 바인더(SBR): 흑연, 도전제, 첨가제, 구리 호일 또는 구리 메쉬를 함께 접착합니다. 선형 사슬 유제 분자, 물과 극성 용매에 매우 잘 녹습니다.
탈이온수(또는 증류수): 희석제를 적당량 첨가하면 슬러리의 유동성이 바뀔 수 있습니다.
양극 탭: 구리 호일 또는 구리 스트립으로 제작됩니다.
