리튬이온배터리 LSV(Linear sweep voltammetry) 그래프 해석
Linear sweep voltammetry 분석은 리튬이온배터리의 소재 평가에 적용되는 분석방법이다. 전해질, 바인더등 다양한 소재들에 적용될 수 있고, 분석방법이 매우 간단하기에 자주 사용되어왔다. 분석 원리와 그래프를 해석 방법을 알아보자.
1. LSV 개념 및 분석원리
LSV는 Linear sweep voltammetry의 약어로 한국어로 번역하면 선형주사전위법이다. 의미를 풀이하면 전위, 즉 전압을 선형(한방향)인 양/음의 방향으로 주사하는 방법이다. 여기서 주사하는 전위의 속도는 일정한 속도로 주사된다.
비슷한 평가 방법으로 CV(Cyclic voltammetry)가 존재하는데 CV는 전위가 사이클로 반복되었을때 산화-환원에 대한 전류의 정도를 보는 것이지만, LSV는 전위를 한방향으로 흘러주었을 때의 전류의 정도를 확인하는 차이가 있다. LSV를 양(+)의 방향으로 전위를 증가시키면 산화에 대한 안정성을 보는 것이고 반대로 음(-)의 방향으로 전위를 증가시키면 환원에 대한 안정성을 본다고 생각하면 된다.
LSV (+ 전위방향) : 산화안정성 확인 (Oxidation stability)
LSV (- 전위방향) : 환원안정성 확인 (Reduction stability)
평가 수단으로는 3전극셀(Ref 전극 + Working 전극 + Counter 전극)이나 코인셀을 이용하여 평가를 진행한다.
2. LSV 적용 사례 (분리막)
아래 그래프는 리튬이온배터리 분리막소재의 LSV 평가 결과 데이터이다. 평가소재가 분리막이기 때문에 3전극으로 진행할 수 없어 코인셀로 평가를 진행했으며, 코인셀 조립은 (Li metal l분리막l Sus) 소재를 사용하여 코인셀을 조립하였다.
Full cell에 사용되는 양극의 NCM소재나 음극의 Graphite를 사용하지 않은 이유는 분리막 자체의 안정성을 보기 위함이다. 셀 조립에 Li metal을 사용한 이유는 실제 리튬이온과의 호환성을 보기 위하여 사용한 것이고, sus는 고전압에 대해 안정한 소재이므로 분리막소재에 더 집중하여 볼 수 있다.
그래프 a에서 전압을 제작된 셀의 OCV(개방회로전압)에서 6V로 증가시켜 분석한 결과 PP 분리막에서 약 4.5V부터 전류 Peak이 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 고전압으로 평가되는 4.5V의 전위에서 PP 분리막이 산화분해반응이 일어나는 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 차례대로 AL/PP (약 5V), LAGP/PP/PVDF-HFP (5.3V) 샘플이 분해되는 것을 알 수 있다. 결과적으로 그래프 a로 판단했을 때, 3가지 샘플에 대한 고전압영역대의 산화안정성 성능을 판단할 수 있다.
3. LSV 적용 사례 (전해액+첨가제)
전해액의 평가에는 3전극 셀을 사용하여 평가하였다. 반응에 안정한 pt 전극과, 리튬과의 거동을 살펴보기 위해 다른쪽에는 리튬전극을 사용하였고, 각각의 전극들의 정확한 전위확인을 위해 Ref 전극을 사용하여 평가를 진행하였다.
LSV로 전해액 첨가제에 대한 효과도 판단할 수 있다. 파란색 곡선과 빨간색 곡선을 비교하였을 때, 둘의 차이는 1.0wt% LiDFOB 첨가제의 유무이다. 첨가제가 들어간 빨간색 곡선을 보았을 경우, 5.7V에서 산화분해 Peak이 확인된다. 첨가제의 주된 역할이 우선적으로 분해되어 전극표면에 보호막을 형성 하는 것인데 해당 그래프를 통해서 LiDFOB가 보호막을 형성하는 것을 판단 할 수 있다.
이번 포스팅에서는 LSV 평가방법에 대한 내용을 다루었다. 배터리의 에너지밀도는 용량과 작동전압의 곱으로 계산되기 때문에 높은 전압에서의 소재 안정성은 매우 중요하다. 고전압에서의 안전성을 평가하는 LSV 분석을 이용하여 좋은 연구 결과들이 나왔으면 하는 바램이다.