리튬 이온 배터리 - EPR(ESR) 애플리케이션

리튬이온 배터리(LIB)는 소형, 경량, 높은 배터리 용량, 긴 사이클 수명, 높은 안전성으로 인해 전자 기기, 전기 자동차, 전력망 저장 및 기타 분야에 널리 사용됩니다.
전자 상자성 공명(EPR 또는 ESR) 기술은 배터리 내부를 비침습적으로 조사하고 전극 재료의 충전 및 방전 중 전자 특성의 변화를 실시간으로 모니터링하여 실제 상태에 가까운 전극 반응 과정을 연구할 수 있습니다. .  배터리 반응 메커니즘 연구에서 점차 대체할 수 없는 역할을 수행하고 있습니다.

리튬이온 배터리의 구성 및 작동 원리

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 격막 등 4가지 주요 구성요소로 구성됩니다. 이는 주로 양극과 음극 사이의 리튬 이온 이동(임베딩 및 디임베딩)에 의존하여 작동합니다.

그림 1 리튬 이온 배터리 작동 원리

배터리 충전 및 방전 과정에서 양극 및 음극 재료의 충전 및 방전 곡선 변화는 일반적으로 다양한 미세 구조 변화를 동반하며 오랜 시간 주기 후에 성능이 저하되거나 심지어 실패하는 경우가 종종 미세 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 변화. 따라서 구성적(구조-성능) 관계와 전기화학적 반응 메커니즘에 대한 연구는 리튬이온전지 성능 향상의 핵심이자 전기화학 연구의 핵심이기도 하다.

리튬이온 배터리의 EPR(ESR) 기술

구조와 성능 사이의 관계를 연구하기 위한 다양한 특성화 방법이 있으며, 그 중 전자 스핀 공명(ESR) 기술은 높은 감도, 비파괴 및 현장 모니터링 가능성으로 인해 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 리튬이온전지에서는 ESR 기술을 이용하여 전극재료 중의 Co, Ni, Mn, Fe, V 등의 전이금속을 연구할 수 있으며, 오프도메인 상태의 전자 연구에도 적용할 수 있습니다.

전극 물질의 충전 및 방전 중에 전자 특성이 변화(예: 금속 원자가 변화)되면 EPR(ESR) 신호가 변경됩니다. 전기화학적으로 유도된 산화환원 메커니즘에 대한 연구는 전극 재료의 실시간 모니터링을 통해 달성할 수 있으며, 이는 배터리 성능 향상에 기여할 수 있습니다.

무기전극재료의 EPR(ESR) 기술

리튬 이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 양극 재료는 일반적으로 LiCoO2, Li2MnO3 등을 포함한 일부 무전극 전극 재료입니다. 양극 재료 성능 향상은 전체 배터리 성능을 향상시키는 열쇠입니다.

리튬이 풍부한 음극에서 가역적 O 산화환원은 추가 용량을 생성하여 산화물 음극 재료의 비에너지를 증가시킬 수 있습니다. 따라서 O 산화환원에 대한 연구는 리튬이온 배터리 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 격자 산소 산화환원 반응의 특성을 연구하는 기술은 아직 상대적으로 적습니다. 양극재의 경우 음극/전해질 계면의 안정성은 충전 과정에서 생성되는 산화물종과 밀접한 관련이 있으므로 산화된 O종의 화학적 상태에 대한 연구가 필요합니다. EPR 기술은 반응 중에 산소 또는 과산화물 종을 감지할 수 있으며, 이는 리튬 이온 배터리의 산소 산화환원을 연구하는 데 기술적 지원을 제공합니다.

그림 2 EPR로 해석한 산화물 O의 화학적 상태. (a, b) 다양한 충전 및 방전 상태에서 50K에서 Na0.66[Li0.22Mn0.78]O2의 X-밴드 EPR 스펙트럼. 그림 a: (O2)n-(n=1, 2,3)의 생성; 그림 b: 포획된 분자 O2의 생성. 그림 c, d: 4.5V 충전 시 가변 온도 EPR 스펙트럼. (O2)n-는 2-60K의 온도 범위에서 감지되는 반면, 분자 O2는 50K의 특성 온도에서만 감지될 수 있음을 볼 수 있습니다. 그림 e: 5000-10000G 자기장 범위의 미세 스윕 EPR 스펙트럼; 그림 f: 50K, 4.5V 충전 상태에서 Na0.66[Li0.22Mn0.78]O2의 X-밴드 EPR 스펙트럼. (J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18652−18664)

유기전극재료의 EPR(ESR) 기술

무기 물질 외에도 일부 유기 소분자 또는 공유결합 유기 골격 물질(COF)도 이온 배터리 연구에 널리 사용됩니다. EPR 분광학은 현장에서 비파괴적으로 유기 전극의 작동 원리를 연구하고 산화환원 반응을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 충전 및 방전 중 라디칼의 형성 및 감소는 EPR 기술을 사용하여 모니터링할 수 있습니다. 라디칼 중간체의 활성 및 안정성 조절은 2차원 COF의 두께를 조정하여 달성할 수 있으므로 에너지 저장 및 전환을 위한 새로운 고성능 유기 전극 재료 설계에 새로운 돌파구를 제공합니다.

기존 담배의 경우 탄소 중심의 자유 라디칼이 존재하므로 EPR 기술로 검출할 수 있습니다. 최신 전자 담배의 경우 EPR 기술을 사용하면 전자 담배를 흡입하는 동안 생성된 자유 라디칼을 측정하고 TPM에서 각각 EPFR 생성 및 ROS 생성을 정량화할 수 있습니다.

그림 3 (a) 자유 라디칼 중간체의 산화환원 메커니즘. (b) 0.30V로 방전 후 30사이클 전후의 서로 다른 두께의 COF의 EPR 스펙트럼. (c) 0.30V로 방전 후 30사이클 전후의 TSAQ 샘플의 EPR 스펙트럼. (d) 4-12nm의 EPR 스펙트럼 다양한 시간 동안 전해질에 담근 후 두께 샘플. (e) 전극을 0.05V로 방전시킨 후 23Na의 NMR 스펙트럼. (K. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 9623−9628)

CIQTEK 전자 상자성 공명(EPR) 분광학

CIQTEK EPR(ESR) 분광학은 상자성 물질을 직접 검출하기 위한 비파괴 분석 방법을 제공합니다. 자성 분자, 전이 금속 이온, 희토류 이온, 이온 클러스터, 도핑된 물질, 결함이 있는 물질, 자유 라디칼, 금속 단백질 및 짝을 이루지 않은 전자를 포함하는 기타 물질의 구성, 구조 및 역학을 연구할 수 있으며 현장 및 비 현장 정보를 제공할 수 있습니다. -전자 스핀, 궤도 및 핵의 미세한 규모에 대한 파괴적인 정보. 물리학, 화학, 생물학, 재료, 산업 등 다양한 분야에 응용됩니다.