Battery Research

에너지 생산 및 저장 관련 응용 분야는 효율성과 신뢰성 목표를 달성하기 위해 오늘날 가장 복잡한 소재 개발 프로젝트를 필요로 합니다. 노트북부터 스마트폰에 이르기까지 우리의 많은 전자 기기는 재충전 가능한 리튬 이온(Li-ion) 배터리로 구동되며, 이 기술은 곧 다른 많은 분야로도 확대될 수 있습니다. 여기에는 전기차의 지속적인 개발과 보급을 통한 교통 분야도 포함됩니다. 에너지를 포착하고, 전달하며, 저장하는 방식을 혁신하는 새로운 소재들이 지속적으로 개발되고 있습니다.

배터리의 성능은 용량, 수명 또는 에너지 밀도 측면에서 궁극적으로 양극, 음극, 전해질 및 SEI를 구성하는 재료의 본질적 특성에 달려 있습니다. 브루커는 과학자들이 모든 배터리 구성 요소와 완전히 조립된 배터리 셀의 물리적·화학적 특성, 성능 및 안정성을 이해하고 최적화할 수 있도록 포괄적인 특성 분석 기술 제품군을 개발했습니다.

원자 현미경, FTIR 분광법, 나노기계적 시험, X선 회절, 라만 현미경, X선 현미경, 자기 공명 및 X선 분광법이 에너지 저장 재료의 작동 원리를 어떻게 밝혀내는지 알아보려면 계속 읽어보세요.

충전/방전 과정에서 모든 배터리 셀의 음극과 양극은 리튬 양이온의 삽입 등으로 인해 지속적인 변화를 겪습니다. X선 회절(XRD)을 통해 변화하는 상 조성과 결정 구조의 변화를 동시에 추적할 수 있습니다. 이를 통해 연구자들은 원자 수준에서 새로운 에너지 저장 물질을 이해하고, 사이클링 중 발생하는 반응을 추적하며, 성능 향상을 위한 열화 현상을 모니터링할 수 있습니다.

당사의 X선 회절 분석기는 분리된 양극 및 음극 물질의 ex-situ 분석부터 완성된 형태의 코인형 및 파우치형 전지의 in-Operand 측정에 이르기까지 배터리 소재 연구 개발을 지원합니다.

리튬 덴드라이트 성장은 리튬 이온 배터리의 안전성에 영향을 미치는 가장 큰 문제 중 하나이지만, 특히 고체 전해질 계면(SEI)에서의 성장을 연구할 때 리튬 화합물의 높은 반응성과 취약한 특성으로 인해 덴드라이트 성장의 초기 단계를 규명하는 것은 매우 어렵습니다.

전기화학 모드를 적용한 원자힘현미경을 이용하면 전위 제어 하에서 전극 표면의 형태학적 진화를 추적할 수 있습니다. 이러한 실험을 통해 전해질에 따라 흑연에서의 리튬 석출 거동이 서로 다름을 확인할 수 있으며, 이는 리튬 배터리에서 덴드라이트 성장의 기저 메커니즘에 대한 이해를 심화시켜 줍니다.

In-situ 고체 핵자기 공명(NMR) 분광법은 배터리 재료의 구조, 동역학 및 전기화학적 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이를 통해 연구자들은 배터리 작동 중 재료의 거동을 연구할 수 있으며, 이는 새롭게 개선된 배터리 설계 개발에 도움이 될 수 있습니다.

예를 들어, In-situ NMR 분광법은 배터리 충전 및 방전 주기 동안 전해질과 전극 재료의 거동을 조사하는 데 활용될 수 있습니다. 이 정보는 배터리 성능을 최적화하고 작동 중 발생할 수 있는 잠재적 문제를 식별하는 데 사용될 수 있습니다.

또한, In-situ NMR 분광법은 배터리 재료의 시간에 따른 열화 메커니즘 연구에도 활용될 수 있습니다. 이는 더 내구성이 뛰어나고 수명이 긴 배터리 개발에 기여할 수 있습니다.

전반적으로, In-situ 고체 NMR 분광법은 배터리 성능을 좌우하는 근본적 과정을 더 잘 이해할 수 있게 하고 차세대 배터리 기술 개발을 이끌어낼 수 있으므로 배터리 연구 및 제조에 있어 강력한 도구입니다.

리튬 이온 배터리는 전기 자동차에서 핵심적인 역할을 하는 널리 사용되는 저장 시스템입니다. 그러나 고장이나 열폭주 발생 시 이러한 배터리는 다양한 유독성 및 유해 가스를 방출할 수 있습니다. 이는 충전, 과열 또는 물리적 손상과 같은 다양한 상황에서 배터리에서 배출되는 가스를 모니터링할 필요성을 강조합니다. FT-IR 기술을 기반으로 한 MATRIX II-MG 및 OMEGA 5 가스 분석기는 배터리 가스 분석에 적합하며, 가스 혼합물에 대한 신속하고 정확한 실시간 분석을 제공합니다. 따라서 이러한 가스 분석기는 비상 시 잠재적으로 위험한 가스를 감지하고 분석하는 데 도움을 주므로 소방서, 배터리 셀 제조업체, 배터리 재활용업체 및 운송업체에 필수적입니다.

전기 유기 합성과 배터리 연구분야의 전극의 활성표면에서 발생하는 전기화학적 부반응은 공정의 효율성과 재현성을 저해하는 이슈는 핵심적인 주요 과제입니다.

이러한 과정에서 하나 이상의 화합물이 전극 활성 표면에 비의도적으로 중합되는 현상은 흔히 관찰되며, 생선된 고분자는 전극 표면에 흡착되어 활성 표면을 비활성화, 전극 활동성의 저하, 전극 표면의 반응성 감소, 전극 활성 기능을 억제  시키는 경향이 있습니다.
이와같은 현상은 일반적으로 "electrode fouling"이라고 불립니다.

timsTOF flex는 ESI와 MALDI 또는 LDI를 어떠한 이온화 소스 구조 변경없이 활용할 수 있는이온모빌리티 고분해능 질량분석기로 이를 활용한 질량 이미징 분석은 화합물에 대한 정확한 질량분석을 통해 전극 표면에 흡착된 생성물을 식별하고,
공간 분해능을 갖춘 질량이미징으로 시각화 할 수 있게 합니다. timsTOF flex 기반의 이미징은 전극 오염 현상을 심층적으로 분석 할 수 있으며, 전기 화학반응 경로에 대한 중요한 통찰을 제공합니다.

자기 공명 기술은 연구자들이 배터리 성능을 좌우하는 화학적·물리적 과정에 대한 심층적 통찰력을 얻을 수 있도록 함으로써 배터리 산업에 귀중한 도구를 제공합니다. 이 기술은 전극, 전해질, 분리막을 포함한 배터리 부품 및 소재의 일관된 품질을 보장하기 위해 배터리 제조의 가치 사슬과 공급망에도 효과적으로 적용될 수 있습니다. 또한 배터리 생산 공정을 모니터링하고 성능이나 안전성을 저해할 수 있는 결함이나 불일치를 식별하는 데 활용될 수 있습니다. 자기 공명 기술을 활용함으로써 배터리 제조업체는 생산 역량을 강화하고 시장의 증가하는 수요를 충족시키는 더 효율적이고 내구성이 뛰어나며 비용 효율적인 배터리 솔루션을 개발할 수 있습니다.

배터리 제조사이든 연구원이든, 자기 공명 기술은 빠르게 변화하는 배터리 연구 및 제조 분야에서 혁신을 이루는 데 도움이 될 수 있습니다.

X선 현미경은 배터리와 연료전지의 내부 3차원 구조를 비파괴적으로 시각화할 수 있게 합니다. XRM은 배터리 수명 주기 전반이나 스트레스 테스트 과정에서 전극 분리막 등의 내부 구성 요소의 정렬 상태를 모니터링하여, 결함 메커니즘을 효과적으로 이해할 수 있게 해주는 강력한 도구입니다.

리튬 이온 배터리와 같은 현대 고성능 배터리의 전극 미세구조는 사이클 수명과 용량 등 핵심 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 이에 따라 최적의 성능을 확보하기 위해 공정 매개변수를 정밀하게 조정하는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 특히 멀티스케일 (Multiscale) 분석 기법인 XRM은 양극과 음극 층의 미세구조를 고해상도로 파악할 수 있어 배터리 개발을 강력히 뒷받침합니다.

납축전지(축전지)는 전기화학적 과정을 통해 생성된 전기 에너지를 저장하는 재충전 가능한 장치입니다. 이 전지는 납(Pb)과 이산화납(PbO₂)으로 만들어진 전극과 묽은 황산(37% H₂SO₄)을 전해질로 구성됩니다. 납축전지의 방전 과정에서 전극에 미세하게 분산된 황산납(PbSO₄)이 형성되며, 이 과정은 재충전 시 역전됩니다. 그러나 특정 조건에서는 전극에 영구적인 침전물이 형성될 수도 있습니다. WDS로 획득한 X선 원소 분포도는 배터리 고장을 유발하는 황산화 침전물의 성질과 공간적 분포를 조사하는 데 이상적입니다.

연구 및 운영 성과를 크게 향상시킵니다. 자동화 시스템은 반복적이고 시간이 많이 소요되는 작업을 처리하여 연구자들이 비판적 사고와 혁신에 더 많은 시간을 할애할 수 있도록 합니다.

이를 통해 데이터 수집 및 분석 속도가 빨라져 재료 특성을 신속하게 파악할 수 있으며, 더 안전하고 효율적인 배터리 개발을 보장합니다.

또한 당사의 자동화 솔루션은 실험의 재현성과 정확성을 보장하여 결과 검증과 높은 수준의 품질 관리 유지에 핵심적인 역할을 합니다. 수동 오류를 줄이고 처리량을 증가시킴으로써, 당사의 자동화 솔루션은 배터리 연구 기관들이 자원을 극대화하고 목표를 보다 효율적으로 달성할 수 있도록 지원합니다.