자기 공명을 활용한 배터리 연구 및 제조 기술 발전 

최초의 충전식 배터리가 개발된 이래 휴대용 전원은 현대 생활의 필수 요소가 되었습니다. 리튬이온 배터리(LIB)는 우리가 에너지를 저장하고 사용하는 방식을 혁신적으로 변화시켜 휴대전화부터 전기차에 이르기까지 다양한 분야에 전원을 공급하고 있습니다. 모든 유형의 배터리 중 가장 높은 에너지 밀도를 자랑하는 리튬이온 배터리는 성능 향상과 환경 영향 감소에 강력한 잠재력을 제공합니다. 

브루커 솔루션은 연구자들이 배터리 기술 분야의 새로운 발견을 위한 길을 열도록 지원하며 지속 가능한 미래를 뒷받침합니다. 

차세대 배터리가 지속 가능한 에너지 솔루션 개발을 목표로 하는 과학자들의 주목을 받고 있습니다. 나트륨 이온 배터리와 고체 상태 배터리 같은 대체 배터리 기술에 대한 지속적인 연구 개발은 안전성 향상, 비용 절감, 지속 가능성 개선 등 잠재적 이점을 제공합니다. 예를 들어, 나트륨 이온 배터리는 풍부하고 저렴한 재료로 제작되어 대규모 에너지 저장 장치에 더 지속 가능한 옵션입니다. 반면 고체 배터리는 더 높은 에너지 밀도와 향상된 안전성을 제공하여 전기차에 이상적입니다. 

브루커는 학계 연구자와 배터리 제조업체 모두가 배터리 기술 분야에서 탐구와 혁신을 이룰 수 있도록 최첨단 솔루션을 제공하여, 모두를 위한 지속 가능한 미래를 지원합니다. 

지속 가능하고 친환경적인 세상을 만드는 것은 지구 미래에 매우 중요합니다. 이를 달성하기 위해서는 더 높은 에너지 밀도, 더 긴 수명, 더 낮은 비용을 가진 첨단 재활용 배터리가 필요합니다. 이러한 배터리는 재생 에너지 도입을 촉진하고 화석 연료 의존도를 줄이며 기후 변화 완화에 기여할 것입니다. 향상된 배터리 기술은 장거리 전기 자동차 및 대규모 에너지 저장 시스템과 같은 신기술 개발을 뒷받침할 것입니다. 이를 위해 연구자들은 새로운 배터리 소재 및 화학, 새로운 제조 및 재활용 방법을 연구하고 있습니다. 핵자기공명(NMR)과 전자상자성공명(EPR)은 배터리 소재의 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 배터리 기술 발전에 중요한 역할을 할 것입니다.

NMR 및 EPR은 연구자와 제조업체가 배터리 소재를 분자 및 원자 수준에서 분석할 수 있게 하는 강력한 도구입니다. 이러한 기술은 전극 및 전해질 소재에서 발생하는 전기화학적 과정, 화학적·물리적 변화, 그리고 배터리 성능과 효율성에 영향을 미치는 요인에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 이러한 재료의 거동을 이해함으로써 연구자와 제조업체는 배터리 수명과 성능을 향상시키는 전략을 개발할 수 있으며, 궁극적으로 더 진보되고 지속 가능하며 비용 효율적인 배터리 개발로 이어집니다. 이러한 첨단 분석 기술은 에너지 저장 기술 개선을 통해 기후 변화 대응을 지원하는 배터리 혁신에 중대한 영향을 미칩니다.

에틀링겐(Ettlingen, Bruker Germany) 응용 연구소에서 고객 데모를 예약하여 액체 상태 NMR, 고체 상태 NMR, NMR 이미징, 확산(diffusion), EPR 및 벤치탑 MR(F80)을 포함한 배터리 기술에 대한 NMR 및 EPR의 모든 잠재력을 발견하세요. 경험이 풍부한 응용 전문가 팀이 최첨단 장비를 활용한 NMR 측정을 안내하며 모든 기능을 실제 작동 상태로 보여드립니다. 차기 연구비 지원을 위해 당사 응용 과학자 팀이 귀하의 시료를 활용한 고품질 예비 데이터를 제공합니다. 직접 방문이 어려우신 경우 원격 데모 및 시료 제출 서비스도 이용 가능합니다. 지금 바로 데모를 예약하시고 브루커 NMR의 강력한 성능을 경험해 보세요.

핵자기공명(NMR)은 화학 및 재료 과학 분야에서 널리 사용되는 분석 기법으로, 배터리 재료의 특성과 거동에 대한 심층적 이해를 제공합니다. 배터리 연구에서 NMR은 배터리 재료의 원자 및 분자 구조를 조사하여 연구자들이 충전 및 방전 주기 동안 발생하는 화학적·물리적 변화를 식별할 수 있게 합니다. 이러한 과정과 핵심 품질 속성을 효과적으로 측정하기 위해서는 배터리 특성 분석을 위한 분석 솔루션이 현장(in situ)에서 작동할 수 있어야 합니다. NMR 분광법은 배터리 분야에서 정확하고 신속한 현장 검출이 필요한 요구를 해결하는 이상적인 분석 방법입니다. 이는 배터리 성능 저하 및 고장 원인을 규명하는 데 도움을 주어, 더 내구성이 뛰어나고 안정적인 새로운 전극 재료 개발을 가능하게 합니다. 배터리 재료의 화학적·물리적 특성에 대한 상세한 분석을 제공함으로써, NMR은 배터리 성능과 효율을 최적화하는 데 기여합니다.

브루커는 배터리 분석 기술 솔루션 분야의 선도 기업인 ePROBE와 협력하여 개발한 특수 고체 NMR 프로브 및In-situ NMR 액세서리를 포함하여 배터리 연구를 위한 포괄적인 장비 라인업을 제공합니다. 이 프로브는 단일 또는 이중 공진 구성으로 제공되며, NMR 자석 내부에서 전기화학 전지를 충전 및 방전할 수 있는 전류 수집 포트를 갖추고 있습니다. 또한, 이 프로브는 가스 또는 액체용 통합 유동 채널을 갖추고 있어 연구자들이 산화환원 흐름 배터리, 금속-공기 배터리 및 유사 시스템에 대한 실험을 수행할 수 있습니다. 브루커의In-situ 고체 NMR 장비는 배터리 성능 최적화를 위한 강력한 도구입니다. In-situ 측정 방식으로 운영되는 이 분석 솔루션은 배터리 특성 분석 시 중요한 품질 속성을 정확히 감지하고 충전/방전 사이클 중 발생하는 과정을 측정할 수 있습니다. 브루커의 첨단 RF 생성 콘솔 AVANCE NEO와 ePROBE의 기술을 통해 연구진은 의미 있는 통찰력을 확보하고, 최적화된 연구 개발과 신속하고 정확한 품질 검사 활동의 혜택을 누릴 수 있습니다.

인터뷰 시청하기(동영상)

올리버 페처 박사(Ph.D. Oliver Pecher) - ePROBE 최고경영자(CEO)

전자 상자성 공명(EPR)은 물질 내 짝을 이루지 않은 전자를 탐지하는 첨단 분광 기법입니다. 충전 및 방전 주기 동안 전극 재료 열화를 유발하는 자유 라디칼을 식별함으로써, EPR은 전기화학적 조건 하에서의 재료 거동에 대한 통찰력을 제공합니다. EPR은 전자 이동 과정을 조사하여 그 속도와 효율성에 영향을 미치는 요인을 규명함으로써, 연구자들이 에너지 저장을 위한 보다 효율적인 전극 재료를 개발하고 배터리 안정성 및 효율성을 개선할 수 있도록 합니다. 브루커의 배터리 연구용 포트폴리오에는 첨단In-situ EPR 이미징(EPRI)이 포함되어 있으며, 이는 더 안전하고 효율적인 배터리를 위한 수지상 미세구조 특성, 성장 메커니즘, 도금/박리 공정에 대한 통찰력을 제공합니다. EPR을 활용함으로써 연구자와 제조업체는 배터리 소재에 대한 이해를 높여 배터리 성능과 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

연구자들이 자기 공명의 힘을 활용하여 배터리 혁신을 주도하는 방법

에너지 저장 분야의 선도적 과학자들과의 인터뷰를 통해 NMR과 EPR이 어떻게 더 안정적이고 효율적이며 내구성 있는 새로운 전극 재료 개발에 기여했는지 알아봅니다. 에너지 저장 기술이 계속 진화함에 따라 자기 공명은 연구자들이 배터리 재료의 특성을 이해하고 에너지 저장을 위한 새롭고 진보된 재료를 개발하는 데 필수적인 도구로 남을 것입니다. 배터리 연구에서 MR의 가장 주목할 만한 사례들을 살펴보세요!

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 인해 전기 자동차의 동력원으로 선호되는 선택지가 되었습니다. 교통 부문의 탄소 배출량을 줄이기 위한 전기 자동차 생산 급증으로 리튬 이온 배터리 수요가 크게 증가했습니다. 최신 연구는 천연 자원 고갈을 줄이고 배터리 생산의 지속 가능성을 보장하기 위해 바이오매스(biomass)와 농업 폐기물을 활용해 리튬 이온 배터리에 적합한 전해질을 생산하는 방안을 탐구하고 있습니다.

배터리가 점점 더 정교해짐에 따라, 그 개발 및 최적화와 관련된 과제들도 더욱 복잡해졌습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 미국 기반의 리튬이온 딥 사이클 배터리 선도 기업인 드래곤플라이 에너지(Dragonfly Energy)는 NMR을 활용하여 배터리 기술 연구 개발을 가속화하고 있습니다. NMR이 배터리 기술을 어떻게 발전시키고 있는지 자세히 알아보려면, 드래곤플라이 에너지 코퍼레이션(Dragonfly Energy Corp.)의 연구개발(R&D) 이사인 빅 싱(Vick Singh)과의 비디오 인터뷰를 확인해 보세요.

배터리 개발 및 제조 과정에서 자기공명 기술은 공정 최적화와 일관된 품질 보장에 핵심적인 역할을 수행합니다.

주요 각 항목에 직접적인 혜택을 제공하는 방식을 살펴보겠습니다:

배터리 제조업체를 위한 생산 공정 최적화:

• 자기공명을 활용한 실시간 모니터링은 병목 현상을 파악하고 처리량(throughput)을 향상시킵니다.
• 자기공명 데이터를 기반으로 한 공정 미세 조정은 전반적인 효율성을 개선합니다.

심층 분석 연구의 중요성:

• 고체상 In-situ NMR 분광법은 배터리 소재에 대한 원자 수준의 통찰력을 제공합니다.
• 제조업체는 이 정보를 활용하여 전극 조성, 전해질 및 분리막을 정밀하게 조정합니다.

가치사슬(value chain) 전반에 걸친 품질 보증:

• 자기공명 기술은 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있는 재료 구성의 변동을 감지하여 일관된 품질을 보장합니다. 신속한 시정 조치는 신뢰성과 안전성을 유지합니다.
• 부품은 가치사슬(value chain) 전반에 걸쳐 검증되어 결함을 최소화합니다.

자기공명 활용의 이점:

• 향상된 생산 능력은 비용 효율적인 솔루션으로 이어집니다.
• 효율화된 가치사슬(value chain)은 배터리 산업이 내구성과 효율성에 대한 시장 수요를 충족하도록 합니다.

... 배터리 개발·제조 관련 논의

TD-NMR은 이완 시간 검출을 기반으로 한 자기 공명 기술입니다. 영구 자석을 사용하여 낮은 자기장에서 작동합니다. 시료의 물리적 특성을 측정할 수 있습니다. TD-NMR은 빠르고 간단하며 비침습적인 방법으로, 배터리 연구 개발에 유용한 정보를 제공할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리(LIB)의 제조 및 성능 개선에 활용될 수 있습니다. TD-NMR은 LIB 전극을 코팅하는 전기화학적 활성 물질의 액체 혼합물인 슬러리의 물리적 특성을 측정할 수 있습니다. 슬러리의 점도, 입자 분포 및 침전 현상을 모니터링함으로써 TD-NMR은 코팅 공정 최적화와 재료 낭비 감소를 지원할 수 있습니다.

활성 물질은 전체 배터리 셀 비용 구조에서 상당한 비중을 차지합니다. 따라서 혁신적인 테스트 방법론 개발과 폐기물 또는 총 불량률(scrap rate) 감소는 관련 모든 이해관계자에게 경쟁 우위를 제공합니다. 공급망(supply chain) 전반에 걸쳐 배터리 활성 물질 테스트를 개선, 자동화 및 표준화하면 합의된 품질 기준을 충족하면서 공정 효율성을 높일 수 있습니다.  사후(post-mortem) 분석 셀의 고장 분석을 R&D 방법론 및 엄격히 모니터링되는 원자재와 연계하면 중요한 형성(formation) 단계에 대한 이해를 심화시킬 수 있습니다.

Bruker NMR 장비는 전극 조성, 전해질, 분리막을 포함한 재료 분석을 위해 배터리 연구 및 제조 전 과정에 활용될 수 있습니다. 또한 배터리 셀 제조 생산성 향상, 공정 최적화, 재료 폐기물 감소를 지원합니다.

적용 사례:

• 리튬이온 배터리 코팅 공정 최적화, 예를 들어 균일성 분산 분석
• 전해질 성분 품질 검사와 같은 명확히 정의된 전해질 조성에 대한 품질 관리 구현
• 50ppm 미만의 수준에서 신뢰할 수 있는 불화수소(HF) 및 수분 정량화를 통한 향후 고장 예방