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배터리 연구 및 생산 공정
Thermo Scientific 시스템은 원료의 추출 및 가공에서 생산 라인의 품질 보증, 새로운 배터리 설계의 연구 및 개발에 이르기까지 배터리 밸류 체인의 모든 부분에 관여합니다.
배터리 제조 응용 분야
배터리 연구를 위한 사용 사례
과제 | 기술 | 솔루션 | 리소스 |
전처리 및 시료 이동 중에 공기, 습기 및/또는 빔에 민감한 배터리 시료의오염을 방지합니다. | IGST 워크플로우: DualBeam, SEM/데스크탑 SEM(글러브 박스 내), TEM, Avizo, CleanConnect | 오염 없이 원형 상태에서 민감한 배터리 소재의 시료 특성화를 위한 완벽한 워크플로우를 제공합니다. | |
SEM, EDS 및 TEM을 이용한 리튬 검출은 어렵습니다. | TOF-SIMS | 배터리 시료의 리튬을 2D 및 3D에서 10 ppm까지 정확하게 검출하고 맵핑합니다. | 응용 노트: Thermo Scientific Helios DualBeam에서 TOF-SIMS를 사용한 이온 분광법 |
TEM | iDPC 기술은 리튬과 같은 경원소를 원자 단위로 선명하게 이미징할 수 있습니다. | ||
단일 기기의 용량을 넘어 다양한 규모로 배터리 구조를 특성 분석합니다. | CT, SEM, Raman, DualBeam, Avizo, EDS | 배터리 미세구조의 멀티스케일 이미징 및 분석이 가능한 상관관계 워크플로우 | |
| 응용 노트: 리튬 이온 배터리용 멀티스케일 3D 이미징 솔루션 | |||
2D 이미징 및 특성 분석을 위해 높은 폴리싱(polishing) 품질로 시료 표면의 넓은 2D 영역을 준비합니다. | DualBeam(Plasma FIB-SEM), EDS | 높은 표면 품질의 고처리량 자동 스핀 밀 | |
SEM, CleanMill | CleanMill은 공기에 민감한 시료를 위한 전용 워크플로우, 빠른 폴리싱(polishing)을 위한 초고에너지 이온 건(gun), 시료 무결성 보호를 위한 극저온 기능을 제공합니다. | ||
전극 구조 성능 상관관계에 대한 주요 미세구조 특성(예: 비틀림)을 특성 분석합니다. | DualBeam, EDS, TOF-SIMS, Avizo | 배터리 구조의 3D 특성 분석 · 다양한 스케일로 3D 배터리 구조를 이미징하는 하드웨어 · 3D 이미징 데이터 수집을 자동화하는 소프트웨어 · 이미지 분석 및 정량화를 위한 Thermo Scientific Avizo 소프트웨어 워크플로우 | |
나노 스케일에서 SEI와 같은 빔 민감성 물질 특성 분석 | TEM, EDS, Avizo | 에너지 물질의 나노 및 원자 단위 특성 분석 · 탁월한 EDS 성능으로 정확한 데이터 수집을 위한 Cryo-EM 워크플로우 · 구조 정량화 및 시각화를 위한 Avizo 소프트웨어 | |
웨비나: 더 나은 배터리를 위한 극저온 및 원위치(in situ) 전자 현미경 진단 안내에 따른 충전식 배터리 소재 설계 | |||
전자 현미경을 통한 원위치(in situ) 키네틱 분석(예: 가열) | SEM | 양극 합성 메커니즘을 이해할 수 있는 Thermo Scientific SEM용 통합 소프트웨어로 다양한 원위치(in situ) 가열 스테이지를 선택할 수 있습니다. | |
손상 없이빔에 민감한 분리막 샘플 특성 분석 | SEM/SDB | 우수한 낮은 KeV 이미징과 cryo-FIB 밀링 솔루션을 통해 2D 및 3D로 분리막 미세구조를 특성 분석할 수 있습니다. | |
전자 현미경을 통한 코인 셀 내 고유 SEI 조사 | 레이저 플라즈마 FIB | 고에너지, 고밀링 속도 레이저로 직접 단면 밀링을 통해 리튬-금속 셀 열화 메커니즘을 이해할 수 있습니다. | |
깊이에 따른 고체 전해질 막의 화학량론 이해 | XPS | XPS 깊이 프로파일링을 통해 각 깊이의 원소를 정량화할 수 있습니다. |
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전극 표면 화학 측정 | XPS | XPS는 전극 표면에 존재하는 화학적 상태를 정량화할 수 있습니다. | |
SEI 층의 진화 추적 | XPS | 사이클링 후 SEI 층의 발달을 추적하기 위해 XPS와 클러스터 이온 소스를 사용하여 물질에 대한 깊이 프로파일링이 가능합니다. |
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원위치(in situ) 전극 사이클링 | XPS | 충전 및 방전 시 스펙트럼 변화를 모니터링하기 위해 전극을 원위치(in situ)에서 작동 가능합니다. |
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셀 수명 동안 분리막 화학물질의 변화 조사 | XPS | 고분자 재료의 표면 화학은 XPS를 사용하여 쉽게 특성 분석이 가능합니다. |
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한 영역에서 지점 간 변동성을 놓치지 않고 배터리 구성 요소를 ex situ 프로파일링합니다. | Raman | Raman 현미경은 사용 또는 검사 중에 발생한 물질 변화 및 성분 분포를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. | |
음극과 양극의 상 식별 및 구조 측정 | Raman | Raman 현미경은 서로 다른 성능 특성을 가진 동일한 물질의 여러 위상의 공간 분포를 시각적으로 보여줄 수 있습니다. | |
XRD | XRD는 관심 있는 특정 다형성 구조를 식별하고 정량화하여 수율과 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다. | 브로셔: ARL EQUINOX 100 X-선 회절분석기(XRD) | |
충전 및 방전 주기에 걸쳐 음극 구성을 추적하고 맵핑 | Raman | Raman 현미경은 충전/방전 주기 동안 전극 표면의 변화를 원위치(in situ) 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. | |
음극 구성 요소 및 하이브리드 물질에서 특정 탄소 동소체의 존재를 확인합니다. | Raman | Raman 분광법은 하이브리드 물질 내 탄소 등, 탄소 동소체 분석에 특히 적합합니다. | |
고체 폴리머 전해질(SPE)에서 이온 종의 연관성 및 성분 분포 이해 | Raman | Raman 현미경은 SPE 내 성분의 공간 분포를 시각화하고 이온적 연관성을 나타내는 데 사용할 수 있습니다. | |
배터리 물질의 결정성, 안정성 및 반응성 연구 | XRD | X선 회절 분석을 통해 활물질의 결정질 대 비정질 함량 비율, 구조적 안정성 및 반복성을 실시간으로 측정할 수 있습니다. | |
원위치(in situ) 충전/방전 반응 추적 | XRD | 충전/방전 중에 모든 배터리 셀의 양극과 음극은 변화합니다. XRD를 사용하면 변화하는 상 구성과 결정 구조의 진화를 추적할 수 있습니다. |
약어: Avizo = Avizo Software; CT = Computed tomography; DualBeam = Focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM); EDS = Energy-dispersive X-ray spectroscopy; FIB = Focused ion beam; FTIR = Fourier transform infrared spectroscopy; iDPC = Integrated differential phase contrast; IGST = Inert sample gas transfer; SDB = Small DualBeam; SEI = Solid electrolyte interface; SEM = Scanning electron microscopy; SPE = Solid polymer electrolytes; TEM = Transmission electron microscopy; TOF-SIMS = Time of flight secondary ion mass spectrometry; XPS = X-ray photoelectron spectroscopy; XRD = X-ray diffraction.
배터리 광물 자원 공정
배터리 광물 공정을 위한 사용 사례
과제 | 기술 | 솔루션 | 리소스 |
니켈, 코발트, 망간, 철, 리튬 광석 등의 원소 분석 및 등급 관리 | XRF | Thermo Scientific XRF 실험실 분광분석기는 채광 물질의 액체 또는 고체 시료에서 최대 90개 원소를 정량할 수 있으므로 정제 및 가공을 위해 광석의 함량을 제어할 수 있습니다. | |
| 응용 노트: WDXRF를 사용한 리튬 원료 물질 분석 | |||
| 응용 노트: ARL OPTIM'X XRF 분광분석기를 이용한 망간 광석 분석 | |||
| 응용 노트: ARL OPTIM'X XRF 분광분석기를 사용한 철 광석 분석 |
약어: XRF = X-ray fluorescence.
배터리 원료 물질 관리
배터리 원료 물질 관리를 위한 사용 사례
과제 | 기술 | 솔루션 | 리소스 |
전극 물질 QC에는 OM보다 더 높은 분해능이 필요하지만, 플로어(floor) 모델 SEM은 실험실에 맞지 않고 수동 분석은 너무 느립니다. | 데스크탑 SEM | Thermo Scientiifc Phenom XL Desktop SEM은 고처리량 자동화 기능으로 음극 및 양극 물질의 고분해능 형태 분석 및 QC를 수행할 수 있습니다. |
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원료에서 금속 불순물을 식별하고 정량하는 것은 매우 중요하지만, ICP나 광학 현미경은 이 두 가지를 수행할 수 없습니다. | 데스크탑 SEM, EDS | Thermo Scientiifc Phenom ParticleX Desktop SEM은 고처리량 자동 EDS 워크플로우로 입자 불순물을 식별하고 정량화할 수 있습니다. | |
리튬, 금속 산화물 및 리튬 화합물의 빠른 특성 분석 | Raman | Thermo Scientific Raman 기기는 적은 양의 시료로 화합물을 빠르게 분석할 수 있습니다. | |
리튬 및 기타 반응성이 높은 염의 특성 분석 | FTIR | 원격 제어를 사용하여 아르곤이 퍼지(purge)된 글러브 박스 내에서 시료 스펙트럼을 측정할 수 있는 소형 Thermo Scientific Nicolet FTIR 기기 | |
원료 물질 특성 분석 | XPS | XPS는 전극을 형성하기 전에 분말 재료의 표면을 분석하고 화학량을 측정하고 오염 물질을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. |
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원료 물질의 순도 평가 | XRF | ppm에서 100%까지 원소 분석, 카본 블랙의 불순물 사전 스크리닝 | |
원료 물질에서 광물 조성 식별 및 정량 | XRD | 음극 및 양극 내 위상 식별 및 구조 측정 |
약어: EDS = Energy-dispersive X-ray spectroscopy; FTIR = Fourier transform infrared spectroscopy; ICP = Inductively coupled plasma; OM = Optical microscopy; SEM = Scanning electron microscopy; XRD = X-ray diffraction; XRF = X-ray fluorescence.
배터리 생산 응용
배터리 생산을 위한 사용 사례
과제 | 기술 | 솔루션 | 리소스 |
전극 불순물 검출은 일반적인 SEM-EDS 워크플로우를 사용하면 지루하고 시간이 오래 걸리는 작업입니다. | ChemiSEM, EDS | Thermo Scientiifc Axia ChemiSEM은 전극 불순물의 즉각적인 특성 분석을 위해 SEM을 "실시간 EDS"와 통합하였습니다. | |
배터리 생산 시 고장 분석 및 QC에는 SEM 수준의 분해능이 필요하지만 플로어(floor) 모델은 너무 많은 공간을 차지합니다. | 데스크탑 SEM | Phenom 데스크탑 SEM은 배터리 물질의 고분해능, 고처리량의 분석을 가능하게 합니다. | |
원료에서 금속 불순물을 식별하고 정량하는 것은 매우 중요하지만 ICP나 OM은 이 두 가지를 수행할 수 없습니다. | 데스크탑 SEM, EDS | Phenom ParticleX Desktop SEM은 고처리량 자동 EDS 워크플로우로 입자 불순물을 식별하고 정량할 수 있습니다. | |
결합제 특성 분석은 어렵지만 전극의 기계적 구조를 확인하는 데 중요합니다. | SEM, DualBeam | Thermo Scientific Apreo 2 SEM을 위한 고유한 T3 검출기의 우수한 이미징 대비로 전극 내 비전도성 결합제 분포 맵핑이 가능합니다. | |
배터리 양극의 주요 원소(% 수준)와 미량 불순물(ppm, mg/kg)을 동시에 정량합니다. | ICP-OES | Thermo Scientific iCAP 6000 시리즈 ICP-OES는 <0.006 mg/L에서 거의 3000 mg/L (10의 6제곱)에 이르는 용액의 농도를 정확하게 측정할 수 있습니다. | 응용 노트: Thermo Scientific iCAP 6000 Series Radial ICP-OES를 사용한 리튬 이온 배터리 양극의 불순물 및 주요 원소의 동시 측정 |
플래니터리 믹서(planetary mixer)에서 배치 형식으로 혼합된 배터리 슬러리는 노동 집약적이고 재료 효율이 낮으며 배치 간 변동의 위험이 있습니다.
용매-캐스팅 방법으로 코팅된 전극은 많은 에너지를 소모하는 용매 증발과 재활용 기술이 필요합니다. 휘발성 용매는 유해하며 많은 비용이 듭니다. | 이축(Twin-Screw) 압출 | 연속적인 슬러리 컴파운딩은 재료 손실, 세척 시간, 처리 오류, 제품 변형을 줄여줍니다. Thermo Scientific 이축(twin-screw) 압출기는 높은 재현성을 통해 연속적으로 슬러리를 컴파운딩합니다. 조성, 재료 전단, 온도를 제어합니다.
PTFE는 용매없는(solvent-free) 전극 슬러리에서 결합제 역할을 합니다. PTFE 및 활물질 파우더를 컴파운딩할 때는 높은 전단력이 필요합니다. Thermo Scientific 이축(twin-screw) 압출기는 PTFE 및 활물질을 성공적으로 컴파운딩하여 용매 없는 슬러리를 생산합니다. 높은 전단력을 통해 활물질 입자가 결합된 PTFE 섬유를 형성합니다. | On-demand 웨비나: 빠르고 효과적으로 복합 균질 전극 슬러리 생성 |
약어: DualBeam = Focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM); EDS = Energy-dispersive X-ray spectroscopy; FIB = Focused ion beam; ICP = Inductively coupled plasma; NCM = Nickel cobalt manganese; OES = Optical emission spectrometry; OM = Optical microscopy; SEM = Scanning electron microscopy.
배터리 품질 관리
배터리 QA/QC를 위한 사용 사례
과제 | 기술 | 솔루션 | 리소스 |
CT만으로는 근본 원인 분석을 위한 불순물 식별이 어렵습니다. | CT/SDB, EDS, Avizo | 상관관계(correlative) CT/레이저 PFIB 워크플로우는 셀을 분해하지 않고 깊숙이 박힌 불순물을 식별할 수 있습니다. | |
고장 분석에는 시료를 보호하면서 고분해능 단면 폴리싱(polishing)이 필요합니다. | SEM, CleanMill | Thermo Scientfic CleanMill은 공기에 민감한 시료를 위한 전용 워크플로우, 빠른 폴리싱(polishing)을 위한 초고에너지 이온 건(gun), 시료 무결성 보호를 위한 극저온 기능을 제공합니다. | |
탄소 동소체 구분, 음극 물질 구조 파악, 사용 중 변화 추적 | Raman | Raman 분광법은 다양한 탄소 동소체를 구별하고 이러한 물질의 구조적 품질을 평가하는 데 특히 유용합니다. | |
음극 SEI 층의 열화(degradation) 맵 | Raman | Raman 현미경은 셀 사용 후 전극 물질 및 성분 분포의 변화를 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. | |
화재, 단락 또는 기타 위험한 조건에서 방출되는 배터리 가스 방출 또는 화학 물질을 모니터링합니다. | FTIR | 가열 밸브 서랍이 장착된 Thermo Scientific Antaris IGS 시스템은 차량 충돌과 같은 무리한 조건에서 HF 및 기타 플루오르화 가스의 방출을 정량할 수 있습니다. | |
배터리 물질의 결정성, 안정성 및 반응성 평가 | XRD | 박막 및 층의 결정 구조, 결정성, 방향 특성, 두께, 균질성 및 밀도 확인 | |
결함, 이물질 및 불완전성 감지 | XRF | 원소 맵핑 및 0.5mm까지 작은 국소 분석 | |
응용 노트: Thermo Scientific ARL PERFORM'X 1500 W 고급 WDXRF 분광분석기로 저전력에서 원소 맵핑을 사용한 시료 분석 | |||
음극, 양극, 전해질, 분리막 및 기타 구성요소의 순도 제어 | XRF | 파장 분산형 X선 형광(WDXRF)을 통해 불순물 및 오염을 일상적으로 모니터링하고 제어할 수 있습니다. | |
납 축전지에 대한 현재 표준에 따라 납 및 납 합금에서 미량 원소를 정량합니다. | OES | Thermo Scientfic ARL iSpark Optical Emission Spectrometer를 사용하면 납 축전지의 미량 원소 및 합금 원소를 분석할 수 있습니다. | |
전극 슬러리의 유변학적 특성에 대한 이해는 다음을 위해 필수적입니다.
| 회전식 유변측정법 | 특징적인 유량 곡선(전단율에 대한 슬러리 점도)을 통해 펌핑, 교반, 코팅과 같은 공정에서 슬러리의 유량 거동을 파악할 수 있습니다. Thermo Scientific HAAKE iQ Air 회전식 레오미터는 높은 정밀도로 다양한 전단율에서 유량 곡선을 측정하는 데 사용됩니다. | On-demand 웨비나: 배터리 제조 및 연구의 회전식 유변측정법 |
약어: DualBeam = Focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM); EDS = Energy-dispersive X-ray spectroscopy; FIB = Focused ion beam; ICP = Inductively coupled plasma; NCM = Nickel cobalt manganese; OES = Optical emission spectrometry; OM = Optical microscopy; SEM = Scanning electron microscopy.
배터리 재활용
배터리 재활용을 위한 사용 사례
과제 | 기술 | 솔루션 | 리소스 |
재활용 물질 QC에는 OM보다 더 높은 분해능이 필요하지만 플로어(floor) 모델 SEM은 실험실에 맞지 않고 수동 분석은 너무 느립니다. | 데스크탑 SEM | Phenom XL Desktop SEM은 고처리량 자동화 기능으로 재활용한 배터리 물질의 고분해능 QC를 처리할 수 있습니다. |
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재활용 물질에서 금속 불순물을 식별하고 정량하는 것은 매우 중요하지만 ICP나 OM은 이 두 가지를 수행할 수 없습니다. | 데스크탑 SEM, EDS | Phenom ParticleX Desktop SEM은 고처리량 자동 EDS 워크플로우로 입자 불순물을 식별하고 정량할 수 있습니다. | |
유입 물질을 재활용을 위해 분류하고 회수된 금속에서 불순물을 제어합니다. | XRF | 알루미늄, 니켈, 코발트, 망간, 흑연과 같은 금속 회수를 위한 블랙매스(black mass) 원소 분석. | 응용 노트: 흑연에서 미량 원소 분석 |
약어: EDS = Energy-dispersive X-ray spectroscopy; ICP = Inductively coupled plasma; OM = Optical microscopy; SEM = Scanning electron microscopy; XRF = X-ray fluorescence.
For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures.