< How to Accurately Measure of Battery Direct Current Internal Resistance(DCIR) >
What is DCIR?
Direct Current Internal Resistance (DCIR) refers to the resistance value calculated using Ohm's Law by applying a direct current step signal to a battery and measuring its voltage change. DCIR represents the total internal impedance of a battery, which includes ohmic resistance and polarization resistance. As a core component of new energy vehicles, energy storage systems, and consumer electronics, battery performance and safety have always been key concerns in the industry. DCIR is one of the most commonly used and intuitive performance parameters in battery testing. It is closely related to a battery's power characteristics and energy efficiency, and also provides critical references for lifespan prediction and safety assessment.
In this article, we will demonstrate how to perform DCIR testing using IEST's high-precision charge-discharge equipmentin accordance with the IEC61960 international standard, and walk through the actual testing process via software steps.
2. Why is DCIR Testing So Important?
DCIR testing is a core and critical method for evaluating battery performance, state of health (SOH), and safety. Its importance can be understood from the following key aspects:
2.1 Directly Reflects Battery State of Health (SOH)
Resistance and aging: During use and aging, the battery’s electrochemical materials and physical structures degrade (e.g., loss of active material, electrolyte decomposition, thickening of the solid electrolyte interphase—SEI). These degradations directly lead to an increase in internal resistance.
Quantifying degradation: DCIR provides a quantifiable metric for this degradation. By periodically measuring DCIR and comparing it to the cell’s initial factory value, one can accurately assess SOH and remaining useful life. Larger increases in DCIR generally indicate more severe capacity fade.
2.2 Key Indicator for Evaluating Power Performance
Power = Voltage × Current: A battery's output power depends on its terminal voltage and the current it can deliver.
Effect of internal resistance: According to the formula Terminal Voltage = Open Circuit Voltage − Current × Internal Resistance, when a high current (e.g., during acceleration or startup) flows, the internal resistance causes a voltage drop within the battery. A higher internal resistance results in a larger voltage drop, reducing the actual operating voltage.
Practical consequences: A lower operating voltage means reduced output power. For electric vehicles, this manifests as weak acceleration and difficulty climbing slopes; for starter batteries, it may fail to start the engine; for drones, it may fail to provide sufficient lift.
2.3 Important safety safeguard
Risk of thermal runaway: According to Joule’s Law (Q = I²Rt), current flowing through internal resistance generates heat. A battery with higher internal resistance will produce more heat under the same current.
Overheat indicators: An abnormally high internal resistance may indicate internal defects such as micro-shorts, poor connections, or local dry-out. These defect points can become local hotspots during high-current operation, significantly increasing the risk of thermal runaway (fire, explosion). Thus, DCIR testing serves as an effective method for battery safety screening, enabling timely identification of "problem cells."
2.4 Core parameter for Battery Management System (BMS) algorithms
The BMS is the “brain” of a battery pack, and accurate internal resistance data are foundational to its decision-making:
SOC estimation: The BMS estimates state of charge (SOC) based on current and voltage. Without accurate knowledge of internal resistance, it cannot accurately calculate voltage changes due to current, leading to significant SOC estimation errors.
Power forecasting: The BMS needs to compute the maximum charge and discharge currents the battery can currently handle (e.g., regenerable and output energy bars on a dashboard). This calculation heavily relies on real-time internal resistance values. Inaccurate internal resistance data may cause the BMS to be overly conservative (limiting performance) or overly aggressive (posing risks).
Cell balancing management: A battery pack consists of multiple cells in series, making internal resistance consistency critical. Cells with inconsistent internal resistance generate different heat and voltage during charge-discharge, exacerbating pack imbalance. DCIR testing can screen out cells with abnormal internal resistance, ensuring consistency in pack assembly.
2.5 Benchmark for production efficiency and quality control
DCIR testing is commonly implemented as a 100% inspection item in manufacturing:
Process Defect Detection: It quickly identifies manufacturing defects such as poor tab welding, uneven coating, or insufficient electrolyte wetting. These defects directly manifest as abnormal internal resistance.
Consistency Screening: Sorting cells with consistent internal resistance is key to assembling high-performance, long-life battery packs. Packs with poor internal resistance consistency will experience rapid performance degradation.
3. Basic Principle of DCIR Measurement
DC internal resistance measurement typically employs the current pulse method. The principle is as follows:
Apply a constant current pulse to the battery.
Record the instantaneous change in battery voltage.
Calculate internal resistance using the formula:
R = ΔV / ΔI
Where: ΔV = Voltage difference before and after the current pulse
ΔI = Magnitude of the pulse current
The key lies in relying on a high-precision, high-speed sampling system to capture millisecond-level voltage transitions. IEST's high-precision charge-discharge equipment achieves voltage and current measurement accuracy up to 0.01% and supports 100 Hz high-speed sampling. This enables not only precise control of pulse signals but also efficient and reliable acquisition of critical data.
4. Test Step Configuration
Below illustrates the typical steps our equipment follows when performing IEC61960 DCIR testing:
Figure 1. DCIR Test Steps – IEST ECT & ERT Series Products
4.1 Rest Phase
Purpose: Ensure the battery reaches a stable open-circuit voltage (OCV) state.
Function: Eliminate electrochemical disturbances from previous operations.
4.2 Constant Current Discharge Pulse (0.2C, 10s)
Apply a constant current pulse to the battery for 10 seconds.
Record the instantaneous voltage drop and its gradual stabilization.
This is the core data source for DCIR calculation.
4.3 Short Pulse Verification (0.2C, 1s)
Retest voltage change under a shorter pulse.
Used to analyze dynamic response and polarization effects.
Supports data export for further modeling and analysis.
5.4 Compliance with International Standards
Fully compatible with battery testing standards such as IEC61960.
Suitable for various applications including research, certification, and quality inspection.
5.5 Safety Protection Mechanisms
Built-in overvoltage, overcurrent, and overtemperature protection.
Ensures dual safety for both equipment and battery during testing.
6. Application Scenarios
Our DCIR testing solutions have been applied in multiple fields:
Power Battery R&D: Analyze the impact of different cathode and anode material systems on internal resistance.
Production Quality Inspection: Quickly screen cells with abnormal internal resistance to improve consistency.
Energy Storage System Validation: Monitor internal resistance changes in large-scale energy storage batteries to prevent failures.
Research Experiments: Establish comprehensive electrochemical models by combining with EIS, CV, and other methods.
7. Summary
In simple terms, DCIR is like a "cardiovascular health check" for batteries:
The internal resistance value is akin to blood vessel patency (resistance). Low resistance means smooth blood (current) flow and strong pumping capacity of the heart (battery).
Changes in internal resistance reflect aging and pathological changes (degradation and defects).
By measuring this metric, doctors (engineers) can assess a person's physical capacity (power performance), health status (SOH), and risks of stroke or heart attack (safety), and accordingly formulate treatment plans (BMS management strategies).
Therefore, throughout the entire lifecycle of a battery—from R&D and manufacturing to usage and end-of-life recycling—DCIR testing is an indispensable core evaluation method, and its importance is self-evident.
If you are looking for a high-precision battery testing solution, feel free to contact us for more details!
< Separator Ionic Conductivity under Temperature Control:
A New Perspective for Performance Optimization >
1. Background
As the primary energy storage device for modern electronics and electric vehicles, the performance of lithium-ion batteries is influenced by various factors, with temperature being a critical environmental variable. The separator, a key component in lithium-ion batteries, serves to isolate the positive and negative electrodes to prevent short circuits while allowing lithium ions to move freely through the electrolyte. The separator ionic conductivity of directly affects the battery's charge-discharge performance and overall efficiency.
Research indicates that temperature variations significantly impact the microstructure of the separator and the ion transport properties of the electrolyte, thereby influencing the separator's ionic conductivity. As temperature increases, the electrolyte viscosity decreases, accelerating ion migration and enhancing the ionic conductivity of the separator. However, excessively high temperatures may cause softening or melting of the separator material, damaging its porous structure and reducing ion transport efficiency. Conversely, at low temperatures, the electrolyte viscosity increases, slowing ion migration and leading to a decrease in the separator's ionic conductivity. Therefore, studying the effect of temperature on the ionic conductivity of separators is crucial for optimizing the performance and safety of lithium-ion batteries.
This article examines the influence of temperature on the separator ionic conductivity by testing changes in ionic conductivity under different temperature conditions.
2. Test Conditions & Methods
2.1 Test Equipment
The multi-channel ionic conductivity test system (EIC2400M) developed by IEST was used, as shown in Figure 1. This device includes four test channels, provides a high-purity argon atmosphere, and enables electrochemical impedance spectroscopy (EIS) testing of multi-channel symmetric cells. The pressure range is 10–50 kg, and the frequency range is 100 kHz–0.01 Hz.Figure 1. Multi-channel ionic conductivity test system(EIC2400M)
Figure 1. Multi-channel ionic conductivity test system(EIC2400M)
2.2 Test Sample
Separator A
2.3 Test Process & Calculation Method for Separator Ionic Conductivity:
Place the separator samples in one, two, three, and four layers into the corresponding four channels → Close the equipment door, evacuate the inner chamber, and fill it with high-purity argon to remove moisture → Perform quantitative liquid injection into each channel → After the soaking time is reached, automatically test EIS → Finally, obtain the separator ionic conductivity through software fitting and calculation. The calculation method for separator ionic conductivity is as follows: Fit the EIS of each separator layer as the baseline. The intersection point of the fitted line with the X-axis is Rs, which represents the impedance Rs(n) of n separator layers, as shown in Figure 2(a). Perform linear fitting with the number of layers as the X-axis and the impedance value of each layer as the Y-axis. The slope of the resulting linear fitting equation is the ionic resistance R of a single separator layer, as shown in Figure 2(b).
Figure 2. EIS impedance spectra for different separator layers (a); R-value fitting graph (b)
Substitute the obtained ionic resistance R into Formula 1 to calculate the separator ionic conductivity.
3. Results Analysis
Figure 3: Electrochemical impedance spectra of the separator at different temperatures
Table 1: Ionic resistance and ionic conductivity values of Separator A at different temperatures
Figure 4. Relationship between separator ionic conductivity and temperature
Figure 3 shows the EIS impedance spectra of the separator measured at different temperatures. Linear fitting was performed using the obtained EIS as the baseline, and the intersection values of the fitted line with the X-axis were recorded. As shown in Table 1, the impedance values R1, R2, R3, and R4 for 1 to 4 separator layers were obtained. Linear fitting was performed with the number of layers as the X-axis and R1, R2, R3, and R4 as the Y-axis to determine the ionic resistance of the separator. The ionic resistance was then substituted into the formula to calculate the ionic conductivity, with the results listed in Table 1. The trend in Figure 4 shows that the separator ionic conductivity significantly increases with rising temperature.
The electrolyte viscosity is a key factor affecting ionic conductivity. According to the Stokes-Einstein equation, ion migration rate is inversely proportional to the electrolyte viscosity. Therefore, as temperature increases, the electrolyte viscosity decreases, accelerating the migration rate of lithium ions and leading to an increase in the separator ionic conductivity. As shown in Table 1, the separator ionic conductivit increases from 0.7691 mS/cm to 1.8336 mS/cm as the temperature rises from 25°C to 70°C. In addition to changes in electrolyte viscosity, temperature also affects the microstructure of the separator. The porous structure of the separator is the main channel for lithium ion transport. As temperature increases, molecular motion in the separator material intensifies, potentially leading to enlarged pores or increased porosity, further promoting ion transport. However, excessively high temperatures may cause softening or melting of the separator material, damaging its porous structure and reducing ion transport efficiency. Separator A exhibits high ionic conductivity at elevated temperatures, indicating that its material maintains good structural stability under high-temperature conditions.
4. Conclusion
This study experimentally tested the changes in separator ionic conductivity at different temperatures and found that temperature significantly affects the ionic conductivity of separators. As temperature increases, the separator ionic conductivity shows an upward trend, though the rate of change varies among different separators. Separator A demonstrates high ionic conductivity at high temperatures, indicating that its material maintains good structural stability under such conditions.
The impact of temperature on the ionic conductivity of separators is closely related to both the microstructure of the separator material and changes in the viscosity of the electrolyte. Therefore, a comprehensive understanding of the effects of temperature on separator microstructure and electrolyte performance is essential for optimizing the performance and safety of lithium-ion batteries. By rationally selecting separator materials and electrolytes, the performance of lithium-ion batteries can be effectively improved across a wide temperature range, extending battery lifespan.
Original Article Link: Separator Ionic Conductivity under Temperature Control: A New Perspective for Performance Optimization
< Entering Electrochemistry | Application of Broadband Dynamic EIS Testing in Battery Cell >
Within the battery testing field, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is an indispensable analytical technique. Functioning like an "X-ray machine," it enables non-destructive interrogation of a cell's internal state, providing insights into battery health, aging mechanisms, and material properties. This raises a critical question: Among the diverse EIS testing equipment available on the market, which offers superior performance? Today, we conduct a direct comparison between ourIEST ERT7008 System and a renowned international electrochemical workstation to evaluate which delivers more precise and stable EIS measurements!
1. What is EIS Testing?
EIS, an acronym for Electrochemical Impedance Spectroscopy, fundamentally involves applying a small-amplitude sinusoidal alternating current (AC) signal to a battery and measuring its complex AC impedance as a function of frequency. The data is typically presented as a Nyquist plot (Z' vs Z"). This technique non-destructively resolves the impedance characteristics of various interfaces and bulk phases within the cell, encompassing electron/ion conduction, interfacial reaction kinetics, and mass transport processes. By analyzing the response features within distinct frequency regions of the EIS spectrum, key parameters such as SEI layer stability, charge transfer efficiency, and lithium-ion diffusion coefficients can be quantitatively assessed. This provides critical insights for optimizing battery material design, diagnosing degradation mechanisms, and enhancing electrochemical performance.
2. Applications of EIS in Lithium-Ion Battery Research
First, trace the lithium-ion transport pathway within the cell to identify the corresponding semicircular features on the Nyquist plot for each process. This facilitates the deduction of the underlying electrochemical mechanisms from the measured impedance curve.
Figure 1. Lithium-Ion Transport Pathway in a Lithium-Ion Battery
2.1 The diagram illustrates the Li⁺ transport sequence:
① External Circuit: Electron conduction (Cu current collector → Graphite anode).
② Graphite Anode: Li⁺ intercalation into graphite, traversing the SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer.
③ Electrolyte: Li⁺ solvation (binding with electrolyte solvent), migration through the porous separator.
④ Cathode (LiCoO₂): Li⁺ desolvation, passage through the CEI (Cathode Electrolyte Interphase) layer (if present), intercalation into the cathode active material.
⑤ External Circuit: Electron conduction via the Al current collector.
Figure 2. Physical and Chemical Properties of Electrochemical Systems Characterized by EIS in Different Frequency Ranges
The high-frequency region reflects the ionic transport characteristics across the SEI layer, the mid-frequency region corresponds to the charge transfer reaction, while the low-frequency region characterizes solid-state diffusion kinetics within the electrode material. By deconvoluting the impedance response across distinct EIS frequency domains, key electrochemical parameters governing interfacial and bulk processes can be quantitatively evaluated, including SEI film resistance (R_SEI), charge transfer resistance (R_ct), and diffusion impedance (R_w).
2.2 High-Frequency Region (First Semicircle)
Corresponding Process: Ionic transport impedance of Li⁺ through the SEI layer.
Electrochemical Parameters:
2.3 Mid-Frequency Region (Second Semicircle)
Corresponding Process: Charge transfer reaction (electrochemical reaction) at the electrode/electrolyte interface, including:
Anode: Li⁺ intercalation/deintercalation in graphite.
Cathode: Li⁺ intercalation/deintercalation in LiCoO₂.
Electrochemical Parameters:
2.4 Low-Frequency Region (Sloping Line)
Corresponding Process: Solid-state diffusion of Li⁺ within the bulk electrode material (e.g., inside graphite or LiCoO₂ particles).
Electrochemical Parameters:
3. Experimental Comparison
3.1 Experimental Setup：
Two distinct cell configurations were selected for EIS testing:
Cell Comparison: Coin cell vs. Pouch cell
Equipment Comparison: International electrochemical workstation vs.IEST ERT7008
Coin Cell (4.15V, 25°C), Test Parameters: 100 kHz ~ 0.1 Hz, 10 mV sinusoidal signal amplitude (PEIS).
Pouch Cell (2Ah, 3.19V, 25°C), Test Parameters: 100 kHz ~ 0.1 Hz, 80 mA AC current amplitude (GEIS).
Figure 3. EIS Analysis–Different Cell Impedance Analysis
3.2 Results
The EIS data for the Coin Cell demonstrates exceptional congruence between the IEST ERT7008 (green curve) and the competitor equipment (red curve), indicating a very high degree of impedance data matching. Similarly, EIS results for the Pouch Cell show only minor discrepancies between the IEST system and the international electrochemical workstation, with deviations consistently below 5%.
4. IEST ERT 7 Series Specifications
4.1 Wide Frequency Range: 0.01 Hz ~ 100 kHz
Frequency range is a critical EIS specification. The low-frequency segment (<1 Hz) analyzes diffusion processes, while the high-frequency segment (>10 kHz) reflects contact resistance. The IEST system covers the broad range of 0.01 Hz to 100 kHz, suitable for diverse cell types.
4.2 High-Precision Signal Control: Accommodates cells from 10 mΩ to kΩ range
Cell impedance spans milliohm (mΩ) to kiloohm (kΩ) levels. The IEST system employs a high-precision signal source and low-noise measurement system, ensuring accuracy and enabling detection of subtle impedance variations.
4.3 Support for Multiple EIS Modes: PEIS & GEIS
Potentiostatic EIS (PEIS) is suitable for micro-current systems like coin cells and lab-scale cells. Galvanostatic EIS (GEIS) is better suited for pouch cells undergoing low-current discharge. The IEST system supports both modes, catering to varied application requirements.
4.4 Why Choose IEST Instruments Solutions?
High Cost-Effectiveness: IEST delivers high-performance testing capabilities at a significantly more accessible price point, eliminating the need for costly additional equipment.
Localized Support: Compared to the support response times of international brands, IEST provides faster technical support and after-sales service within the domestic market, ensuring prompt resolution of customer issues.
High Integration: The IEST ERT7 series is not merely an EIS tester; it integrates seamlessly with high-precision battery cyclers, enabling comprehensive battery testing and analysis.
5. Featured Case Study: SOC/DOD Dependent Impedance
Conducting impedance tests at different States of Charge (SOC) and Depths of Discharge (DOD) provides a holistic understanding of internal cell changes during various charge/discharge stages. Variations in the EIS spectrum reveal the state of lithium-ion migration, charge exchange kinetics, and interfacial layers, enabling assessment of battery performance and degradation trends. This methodology is a vital tool for cell optimization design and lifetime prediction.
Figure 4. EIS Testing at different States of Charge (SOC) and Depths of Discharge (DOD)
6. Dynamic EIS Testing
Dynamic EIS is an advanced technique for real-time tracking of a battery's internal impedance evolution during operation. It enables concurrent measurement during charging or discharging, overcoming the limitation of traditional methods requiring test interruption. Dynamic EIS reveals the battery's "state of health" across different SOCs, unveiling details of electrochemical processes like Li⁺ transport within materials, charge exchange kinetics, and interfacial stability. This technology is crucial for battery design optimization, aging analysis, and application state monitoring. The IEST ERT7 series supports dynamic EIS testing on cells, with DC bias current capability ranging from microamps to over 10A, meeting diverse application needs.
Figure 5. Dynamic EIS Testing
7. Conclusion
This experimental study validates the EIS testing capability of the IEST ERT7008. The results demonstrate deviations of less than 5% compared to a renowned international electrochemical workstation, fully meeting the requirements for battery research, development, and testing. Furthermore, with its superior cost-effectiveness and responsive localized support, the IEST Instrument solution presents an optimal choice for battery testing equipment. For those seeking a precise, efficient, and stable EIS testing system, IEST Instrument is a highly recommended solution.
<Cyclic Voltammetry(CV): The Diagnostic Report for Electrode Materials>
1. 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)이란 무엇인가요?
순환전압전류법(CV)은 전극 재료의 "진단 보고서" 및 "성능 디코더"로 흔히 불리는 기본적인 전기화학 특성 분석 기법입니다. CV의 원리는 작업 전극에 삼각파형 전위(예: -0.2V → 1.0V → -0.2V)를 인가하면서 전류 반응을 기록하여 닫힌 전류-전압 곡선(CV 곡선)을 생성하는 분석방법 입니다. 이 과정은 배터리의 동적 충전/방전 동작을 시뮬레이션하여 다음과 같은 정보를 제공합니다.
산화환원 특성: 피크 전위는 활성 물질의 반응 전위에 해당하고, 피크 전류는 반응 속도론(reaction kinetics)을 반영합니다.
가역성: 산화/환원 피크 사이의 전위 차(Ep)가 작을수록 가역성이 더 높음을 나타냅니다.
Mass Transport 메커니즘: 주사 속도 의존성은 확산 제어 반응과 표면 제어 반응을 구분합니다.
안정성: 사이클 이후 최대 전류/면적의 변화는 재료 저하(degradation)를 정량화합니다.
리튬 이온 배터리 연구에서 순환 전압 전류법은 Li+의 삽입/탈리(예: 0.2V에서의 graphite vs Li+/Li)나 전해질 분해(>4.5V)와 같은 과정을 시각화하여 "전기화학적 ECG(심전도)"로 기능합니다.
조건: 스캔 속도: 0.1/0.2/0.5 mV/s; 전압 범위: 3.0–4.2 V vs. Li+/Li
그림 1. 실험 데이터
낮은 스캔 속도(0.1 mV/s, 검정색 곡선):
낮은 피크 전류(~0.5 mA)와 대칭적인 산화환원 피크는 최소한의 분극(확산 제어 공정)을 나타냅니다.
피크 차이 Δ Ep > ≈ 60 mV(이론적 59 mV/n에 근접)는 높은 가역성의 Li+ 이온의 삽입/탈입을 나타냅니다.
높은 스캔 속도(0.5 mV/s, 초록색 곡선):
최대 전류는 ~1.2 mA로 증가하지만 Δ Ep는 90 mV로 넓어져 전하 이동 저항과 kinetic 분극을 나타냅니다.
곡선 형태가 유지된다는 것은 뛰어난 구조적 안정성(기생 반응 피크 없음)을 의미합니다.
그림 2. 선형 피팅 플롯
선형 피팅: y = 93.262x - 7.868，R² = 0.9947
피크 전류 i_p는 스캔 속도의 제곱근에 비례하는데, 이는 Randles-Sevcik 방정식과 일치합니다.
기울기(93.262)는 Li 확산 계수 D ≈ 10-10 cm2/s(일반적인 흑연 범위)를 나타냅니다.
0에 가까운 절편(-7.868 mA)은 무시할 수 있는 비패러데이(이중층 충전) 효과를 나타냅니다.
그림 3. 장비 비교(IEST vs 타사 장비)
IEST의 CV 분석 장비 및 다른 전기화학 워크스테이션(예: BioLogic 사 장비)의 일치율은 특히 비정상적 변동이 없는 고전압 영역(4.0-4.2V)에서 95% 이상이며, 이는 데이터 신뢰성과 연구의 요구사항 충족을 입증합니다.
3. 주요 방정식 및 결론
실험 결과는 Randles–Ševčík 방정식과 일치합니다.
그림 3. Randles–Ševčík 방정식
변수:
i_p: 피크 전류
F: 패러데이 상수
A: 전극 면적
n: 전자 전달 수
D: 확산계수
C0: 표면 농도
v: 스캔 속도
R, T: 기체상수 & 절대온도
본질적으로 이 방정식은 피크 전류 i_p가 주사 속도 v의 제곱근에 정비례함을 보여줍니다. 결과적으로 CV 곡선의 모양은 주사 속도에 따라 달라지지만, 기본 프로파일은 일정하게 유지됩니다.
4. 요약
순환전압전류법(CV)은 전극 재료에 대한 포괄적인 진단 도구이자 성능 프로파일러 역할을 합니다. 위 실험은 IEST 장비의 성능을 강조하는 동시에 우수한 분석 기능을 보여줍니다. IEST의 장비는 BioLogic 브랜드와 동일한 데이터 정확도를 유지하며, 비교 편차를 1.5% 이내로 엄격하게 관리하고 비용 측면에서도 상당한 이점을 제공합니다.
특히, 2025년 2분기에 혁신적인 지능형 전기화학 데이터 분석 시스템을 출시하여 고급 CV 곡선 처리를 구현할 예정입니다.
Batch Cyclic Voltammetry(CV) curve visualization
Feature point identification and smoothing algorithms
Automated peak recognition/fitting for extracting peak position, height, and area parameters
< Analysis of Five Critical Impacts of Electrode Flexibility on Battery Performance >
1. Introduction
현대 에너지 저장의 핵심인 리튬 이온 배터리(LIB)는 전기 자동차와 스마트 기기의 성능을 직접적으로 좌우합니다. 배터리의 "심장"인 전극 시트는 배터리 수명과 안전성에 영향을 미치는 핵심 지표인 전극 유연성에 크게 의존합니다. 취성(brittleness)이 있는 전극 시트는 충전/방전 사이클 동안 균열이 생기고 파쇄되어 용량 감소는 물론 안전 위험까지 초래할 수 있습니다. 전극 시트는 어떻게 강도와 유연성을 모두 확보할 수 있을까요? 이 글에서는 배터리 성능의 핵심 기술인 전극 유연성을 밝히고 IEST의 첨단 테스트 솔루션을 소개합니다.
그림 1. 리튬 배터리 전극 시트
2. Electrode Flexibility: The Hidden Arbiter of Battery Performance
2.1 The Lifeline of Cycle Life
사이클 중 응력 변동: 충방전 중 전극 재료는 반복적인 팽창과 수축을 겪습니다(예: 리튬 이온 삽입/탈리 시 NCM 및 LFP와 같은 양극 재료의 부피 변화). 전극의 유연성이 낮으면 사이클 응력 하에서 균열 발생 및 파단이 발생할 가능성이 높아져(그림 1), 활물질과 집전체 사이의 전기적 접촉이 저하됩니다. 이는 내부 저항(IR)을 증가시켜 궁극적으로 사이클 수명을 단축시키고 안전 사고를 유발할 수 있습니다.
분말화 문제: 유연성이 부족한 전극은 사이클 중에 분말화되기 쉽고, 이로 인해 활성 물질이 전류 집전체에서 분리되어 성능 저하가 가속화됩니다.
그림 2. 사이클 후 파손된 배터리 전극 시트
2.2 제조 공정에 대한 리트머스(Litmus) 시험
Slitting & Winding 공정: 전극 시트는 제조 과정에서 슬리팅, 열간 프레스, 와인딩 또는 스태킹 공정을 거칩니다. 유연성이 낮은 시트는 이러한 공정에서 버(burr) 형성, 균열 또는 파단 위험이 있어 수율이 저하되고 생산 비용이 증가합니다.
전극-분리막 계면: 유연한 전극 시트는 분리막에 더 잘 밀착되어 계면 간극을 최소화합니다. 이를 통해 에너지 밀도와 셀 일관성이 향상됩니다.
2.3 성과의 척도
내부 저항 및 전력 성능: 취성 전극은 사이클 중 균열이 쉽게 발생하여 활물질/집전체 계면의 접촉 저항을 증가시킵니다. 이는 셀의 전체 저항(IR)을 증가시켜 전력 성능을 저하시킵니다.
에너지 밀도: 면 밀도가 증가하면 에너지 밀도가 높아지지만, 유연성이 부족하면 사이클링 중에 전극이 고장날 수 있으며, 역설적으로 실제 사용 가능한 에너지 밀도가 감소합니다.
2.4 디자인 문제 해결
전극 두께 설계: 고에너지 밀도 배터리는 전극 두께와 면적 밀도를 높여야 하는 경우가 많으며, 이는 유연성을 저해할 수 있습니다. 설계 시에는 에너지 밀도와 충분한 기계적 견고성 간의 균형을 맞춰야 합니다.
재료 선택: 유연성은 바인더, 전도성 첨가제, 그리고 활물질의 비율과 본질적으로 연관되어 있습니다. 제형을 최적화하고 고성능 바인더를 선택하면 에너지 밀도를 저하시키지 않고도 유연성을 향상시킬 수 있습니다.
2.5 응용
전기차 배터리: 전기 자동차는 진동, 충격 등 복잡한 도로 조건에 직면하여 배터리 팩에 기계적 응력을 가하고, 이로 인해 안전 사고가 발생할 가능성이 있습니다(그림 3). 유연한 전극은 충격 에너지를 더 잘 흡수하여 손상 위험을 완화하고, 이를 통해 안전성을 향상시키고 배터리 팩 수명을 연장합니다.
플렉시블 배터리: 웨어러블 기기나 플렉시블 전자기기와 같은 신흥 분야에서는 기기 변형에 유연하게 대응할 수 있는 배터리가 요구됩니다. 유연성이 부족한 전극은 폴더블 스마트폰과 같은 응용 분야에는 적합하지 않습니다.
그림 3. EV 차체 하부 충격 손상 후 열 폭주
3. 전극 유연성을 측정하는 방법
IEST 배터리 전극 유연성 테스트 시스템( BEF1000) 은 솔루션을 제공합니다. 이 장비는 응력-변형률 곡선 측정의 기본 원리를 사용합니다. 전극을 특정 각도로 구부리고 시험 고정부에 고정한 후, 변위를 가하여 변형시킵니다. 다양한 변형 수준에서 응력과 변형률(force-displacement)을 측정하여 유연성을 평가합니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 고품질 전극(시료 B)의 매끄러운 곡선은 저품질시료(시료 A)의 급격한 파단점(fracture point)과 뚜렷한 대조를 이루며, 이는 성능 차이를 명확히 보여줍니다.
그림 4.
그림 5. 두 샘플에 대한 유연성 테스트 데이터
4. Conclusion
전극 유연성은 고성능 배터리의 필수 요소입니다. 소재 개발 및 공정 최적화부터 실험실 테스트 및 대량 생산 관리에 이르기까지 유연성은 핵심 원칙이 되어야 합니다. IEST Instrument 의 혁신적인 솔루션은 업계에 정량적 기준을 제공하여 더욱 안전하고 오래 지속되는 차세대 배터리 개발을 지원합니다.
< Binder, Conductive Additive, Active Material, Current Collector: Who Controls the Critical Factors of Electrode Flexibility? >
1. Introduction
효율적이고 친환경적인 에너지 저장 장치인 리튬 이온 배터리(LIB)는 전기 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 배터리의 핵심 부품 중 하나인 전극은 에너지 밀도, 사이클 수명, 그리고 안전 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 전극 유연성은 외부 힘에 의해 전극이 파손되지 않고 변형될 수 있는 능력을 의미하며, 전극의 기계적 특성을 평가하는 데 중요한 지표입니다.
전극의 유연성이 낮으면 충방전 사이클 중 전극의 균열 및 분말화 현상이 발생하여 활물질과 집전체의 접촉 불량, 내부 저항 증가, 용량 감소 가속화, 그리고 궁극적으로 배터리 수명 단축을 초래할 수 있습니다. 또한, 전극의 유연성이 낮으면 기계적 충격 시 내부 단락 위험이 높아져 배터리 안전성이 위협받습니다. 따라서 전극의 유연성에 영향을 미치는 요인을 규명하고 유연성이 뛰어난 전극 소재를 개발하는 것이 매우 중요합니다. 전극은 주로 활물질, 전도성 첨가제, 바인더, 그리고 집전체로 구성됩니다(그림 1). 이러한 구성 요소들은 전극의 유연성을 조절합니다. 각 구성 요소의 역할과 매커니즘이 아래 내용과 같이 분석되었습니다.
그림 1. 전극 구성 요소의 구성
2. Active Material: The "Dominant Player" in Volume Change and Stress Distribution
활물질은 전극에서 리튬 이온을 저장하고 방출하는 주요 구성 요소입니다. 활물질의 종류와 형태는 전극의 유연성에 영향을 미칩니다.
유형: 다양한 활물질은 충전/방전 중 부피 변화 정도가 다릅니다. 예를 들어, 실리콘-탄소 음극은 최대 300%의 부피 팽창률을 보이는 반면, 흑연 음극은 일반적으로 약 10%의 부피 팽창률을 보입니다. 부피 변화는 응력을 유발하며, 국소적인 응력은 음극 입자의 내부 균열이나 고체 전해질 계면(SEI) 층의 박리를 유발할 수 있습니다(그림 2). 입자 균열과 SEI 층 박리는 모두 새로운 전극 표면을 노출시켜 지속적인 SEI 형성과 전극 노화를 가속화합니다.
Morphology: 구형 또는 거의 구형인 활물질 입자는 전극 유연성 향상에 유리합니다. 이는 높은 충진 밀도와 균일한 응력 분포로 인해 부피 변화로 발생하는 응력을 효과적으로 완화하기 때문입니다. 반대로, 판상 또는 바늘형 입자는 응력 집중점을 생성하여 전극 내부에 국부적인 균열을 유발하는 경향이 있습니다.
그림 2. 재료 균열의 개략도
3. Conductive Additive: The "Double-Edged Sword" of Conductive Network and Mechanical Strength
전도성 첨가제의 주요 역할은 전극의 전자 전도도를 향상시키는 것입니다. 전도성 첨가제의 종류, 함량 및 분산도 전극 유연성에 영향을 미칩니다.
유형: 1차원(1D, 예: 탄소 나노튜브) 또는 2차원(2D, 예: 그래핀) 전도성 첨가제는 3차원(3D) 전도성 네트워크를 형성하여 활물질 입자와 전류 집전체를 연결함으로써 전극의 기계적 강도와 유연성을 모두 개선할 수 있습니다.
4. Binder: The "Adhesive" for Electrode Components
바인더는 전극의 필수 구성 요소입니다. 바인더의 주요 기능은 활물질, 전도성 첨가제, 그리고 집전체를 결합하여 전극에 기계적 강도를 부여하는 것입니다. 바인더의 종류, 함량, 그리고 분자량은 전극의 유연성에 영향을 미칩니다.
유형: 다양한 바인더는 기계적 특성과 접착 강도가 서로 다릅니다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 바인더는 높은 기계적 강도를 제공하지만 유연성이 상대적으로 낮아 사이클링 중 균열이 발생하기 쉽습니다. 반대로, 높은 탄성률을 가진 스티렌-부타디엔 고무(SBR)는 부피 변화로 인한 응력을 효과적으로 완화하여 전극 유연성을 향상시킵니다.
분자량: 고분자량 바인더는 더 강한 접착 네트워크를 형성하여 전극의 기계적 강도를 증가시키지만 유연성은 감소시킬 수 있습니다.
5. Current Collector: The "Supporting Skeleton" of the Electrode
집전체는 전극 내 전자 전달을 위한 운반체 역할을 합니다. 집전체의 재질, 두께, 표면 처리는 전극의 유연성에 영향을 미칩니다.
재료: 구리 호일이나 알루미늄 호일과 같은 금속은 고유한 연성과 유연성을 가지고 있어 전극에 기본적인 기계적 지지력을 제공하고 전반적인 유연성에 기여합니다. 그러나 집전체 자체가 너무 두껍거나, 순도가 낮거나, 불순물이 많으면 유연성이 저하되어 전극의 유연성에 악영향을 미칠 수 있습니다.
두께: 집전체의 두께를 늘리면 전극의 전반적인 강도는 향상되지만 유연성은 감소할 수 있습니다. 집전체가 두꺼울수록 구부리기 위해 더 큰 힘이 필요하고 균열이 발생하기 쉽습니다.
표면 처리: 집전체 표면을 거칠게 하면 활물질과의 접촉 면적이 넓어져 접착력이 향상되고 더욱 견고한 결합이 형성됩니다. 이는 일반적으로 전극의 유연성을 향상시킵니다. 그러나 과도한 거칠기는 활물질의 불균일한 분포를 초래하여 유연성을 저하시킬 수 있습니다.
6. Innovative Testing Methods for Electrode Flexibility
전극 유연성은 리튬 이온 배터리의 사이클 수명과 안전 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 전극 구성 및 제조 공정을 최적화함으로써 매우 유연한 전극을 개발할 수 있으며, 이를 통해 배터리 사이클 수명과 안전성을 향상시키고 리튬 배터리 기술을 발전시킬 수 있습니다. 전극 유연성을 정확하게 평가하기 위해 아래 IEST 응력-변형 곡선 분석(그림 3) 기반 시험 장비가 개발되었습니다. 이 방법은 전극을 고정하고, 변위를 적용하며, 변형 과정에서 실시간으로 힘과 변위(힘-변위 곡선)를 측정하여 유연성을 정량적으로 분석할 수 있도록 합니다. 이 기술은 전극 구성 및 공정 최적화에 중요한 데이터 기반을 제공하여 고유연성 전극 개발을 촉진합니다.
그림 3. BEF1000
곡선의 모양을 비교: 유연성이 높은 전극은 뚜렷한 갑작스러운 변화나 변곡점 없이 더 부드러운 곡선을 보일 수 있습니다.
기울기를 비교: 유연성이 더 좋은 전극은 일반적으로 곡선에서 초기 기울기가 더 작습니다. 즉, 동일한 힘이 가해졌을 때 변형이 더 크다는 것을 의미합니다 .
파단 지점 분석: 일반적으로 파단 지점에서 더 큰 압축 변위를 나타내는 전극은 뛰어난 유연성을 가지고 있습니다 .
1차 미분을 관찰: 유연성이 낮은 전극은 1차 미분 곡선에서 더 큰 피크나 급격한 변화를 보일 수 있습니다.
7. Summary
전극 유연성은 배터리 성능과 안전성을 나타내는 핵심 지표입니다. 활물질, 전도성 첨가제, 바인더, 집전체의 선택 및 비율을 시너지 효과를 발휘하여 최적화하고, 첨단 시험 방법을 활용함으로써 전극의 종합적인 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 갖춘 차세대 리튬 이온 배터리 개발을 위한 탄탄한 기반을 마련합니다.
< Testing Methods, Advantages, and Applications of Dynamic EIS >
1. Introduction
전기화학 임피던스 분광법(EIS) 은 전기화학 계면 문제를 연구하는 데 가장 중요한 기술 중 하나이며, 리튬 이온 배터리 내부의 전기화학적 거동을 연구하는 데 널리 사용됩니다. EIS의 원리는 리튬 배터리를 "블랙박스"로 취급하는 것입니다. 특정 주파수 범위에 걸쳐 특정 진폭을 갖는 정현파(sine wave) AC 신호를 인가하여 주파수 영역에서 해당 전기 신호 응답을 얻습니다. 이후, EIS 스펙트럼 내 다양한 주파수에서 피드백 신호를 분석하여 셀 내부 전기화학적 거동에 이상이 있는지 분석하는 것이 목표입니다.
기존의 정적 EIS 테스트는 1) 인과성 , 2) 선형성 , 3) 안정성이라는 세 가지 전제 조건을 충족해야 합니다 . 따라서 EIS 테스트는 리튬 이온 배터리가 장기간 평형을 이룬 후에만 시작할 수 있습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 배터리 내부에서 발생하는 과도적인 동적 변화를 간과할 위험이 있습니다. 따라서 Dynamic EIS(DEIS) 테스트는 점차 리튬 배터리 엔지니어들의 주요 관심사가 되고 있습니다.
2. Significance of Dynamic EIS Testing
이름에서 알 수 있듯이, Dynamic EIS는 배터리 충방전 중에 EIS 테스트를 수행하는 것을 포함합니다. Dynamic EIS의 주요 중요성은 다음과 같습니다.
2.1 Real-time Monitoring and Capturing Dynamic Processes
Dynamic EIS는 배터리의 순간적인 상태 정보를 실시간으로 반영할 수 있습니다. 예를 들어, 리튬 덴드라이트의 빠른 성장 과정이나 급속 충전 중 빠른 전기화학 반응을 포착할 수 있습니다. EIS 테스트 및 모니터링을 수행하기 전에 장시간 휴지 상태를 유지하면 리튬 도금 거동이 점차 약해지거나 심지어 사라질 수 있습니다. 따라서 Dynamic EIS는 빠른 전기화학 반응 거동을 포착하는 데 있어 독보적인 장점을 가지고 있습니다.
2.2 Analysis of Non-linear and Non-steady-state Processes
실제 배터리 시스템은 종종 비선형 또는 비정상 상태(non-steady-state) 특성을 보입니다. 예를 들어, 실제 사용되는 배터리는 온도 변동이나 부하 변동과 같은 외부변화에 지속적으로 노출되는 비정상 상태 조건에서 작동하는 경우가 많습니다. Dynamic EIS는 이러한 비정상 상태 조건에서의 테스트를 가능하게 하며, 다양한 상태에서 배터리의 임피던스 정보를 수집합니다. 이는 배터리 성능 평가 및 결함 진단에 더욱 포괄적인 데이터 지원을 제공합니다.
2.3 Early Fault Diagnosis and Advantages for Data Modeling
Dynamic EIS는 긴 휴지 기간이 필요 없으므로 잠재적인 배터리 결함을 조기에 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 내부에서 리튬 도금이나 비정상적인 열 폭주가 발생할 경우, Dynamic EIS에서 측정된 중주파(mid-frequency) 임피던스가 비정상적으로 감소하거나 증가하여 사용자에게 적시에 경고 정보를 제공할 수 있습니다. 또한, Dynamic EIS 모드에서 수집되는 데이터의 양은 일반적으로 정적 EIS보다 훨씬 많습니다. 이 데이터는 더욱 정확한 배터리 모델을 구축하는 데 활용될 수 있으며, 배터리 성능 예측, 수명 평가 및 최적화 설계를 위한 더욱 신뢰할 수 있는 데이터 지원을 제공합니다.
3. Innovative Solution from IEST Instrument
IEST의 배터리 임피던스 테스터(BIT6000)는 모든 타사 충방전 장비와 통합할 수 있습니다. BIT6000 를 통해 충방전 과정에서 리튬 이온 배터리의 소프트웨어에서 연속 테스트 모드를 설정하여 중단 없는 DEIS 테스트 및 모니터링을 가능하게 하고, 비정상 상태에서의 배터리 성능 모니터링 및 결함 메커니즘 분석을 용이하게 합니다. 또한, 이 장비의 또 다른 주요 장점은 외부 증폭기 없이도 대용량의 낮은 내부 저항 배터리(예: 전력 배터리 또는 에너지 저장 배터리)에 대한 EIS 테스트를 수행할 수 있다는 것입니다. 이는 대용량 셀의 EIS 테스트라는 현재의 과제를 효과적으로 해결합니다.
Figure 1. Schematic diagram of the Battery Impedance Tester (BIT6000) integrated with an arbitrary third-party charge/discharge device for DEIS testing.
4. Continuous Dynamic EIS Monitoring During Charging
완전히 방전된 40Ah 전력 배터리(LFP//C)로 실험이 진행되었습니다. 0.3C의 정전류(CC) 충전 조건에서 약 70%의 충전 상태(SOC)에 도달할 때까지 충전 중에 DEIS 테스트를 지속적으로 수행했습니다. 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 이러한 테스트 결과는 기존 전기화학 모델을 활용하여 셀이 다양한 SOC 수준으로 충전됨에 따라 Dynamic 매개변수(다른 시간 상수를 갖는 전기화학 과정에 해당하는 저항 및 용량성 리액턴스 포함)의 변화를 파악함으로써 추가 분석할 수 있습니다. 이는 충전 과정에서 발생하는 순간적인 전기화학적 거동을 이해하는 데 도움이 됩니다.
Figure 2. Continuous Dynamic EIS monitoring of an LFP battery under 0.3C constant current charging
그림 3(b)는 Barsoukov et al. 이 제안한 미시 모델을 보여줍니다. 전극 활물질 내 리튬 이온의 삽입 및 탈리 과정에 대한 일반적인 EIS 스펙트럼을 보여줍니다. 기존의 EIS 실험 결과는 일반적으로 서로 다른 시간 상수를 갖는 다섯 가지 전기화학적 과정을 포함하는 것으로 관찰됩니다.
4.1 Ultra-High Frequency Region:
전해질, 다공성 분리막, 그리고 전류 집전체를 통한 리튬 이온 및 전자의 이동과 관련된 저항. 이는 EIS 플롯에서 실수축(Z')과 교차하는 단일 점으로 나타나며, 일반적으로 Rs로 표시됩니다.
4.2 High Frequency Region:
고체 전해질 계면(SEI) 막을 통한 리튬 이온 확산과 관련된 반원. 이 과정은 R~SEI~와 C~SEI~의 병렬 조합(R~SEI~ // C~SEI~)으로 등가 회로로 표현할 수 있습니다.
4.3 Mid-Frequency Region:
전하 이동 과정에 대응하는 반원. 이 과정은 전하 이동 저항( R~ct ~ )과 이중층 정전용량( C~dl ~ )의 병렬 조합으로 등가 회로로 표현할 수 있습니다( R~ct ~ // C~dl ~ ).
4.4 Low Frequency Region:
활물질 입자 내에서 리튬 이온의 고체 확산과 관련이 있습니다. 이는 EIS 플롯에서 45° 기울기를 가진 직선으로 나타납니다. 등가 회로에서 이 과정은 확산을 나타내는 Warburg impedance(Z~W~)로 표현됩니다.
4.5 Very Low Frequency Region (<0.01 Hz):
활물질 입자 결정 구조의 변화 또는 새로운 상 형성과 관련이 있을 수 있는 반원과 활물질 내 리튬 이온 축적/고갈과 관련된 거의 수직인 선으로 구성됩니다. 리튬 배터리는 일반적으로 이처럼 낮은 주파수에서 분석되지 않습니다. 따라서 리튬 배터리 EIS 스펙트럼 분석에 사용되는 일반적인 등가 회로는 그림 4(a)에 나와 있습니다.
그림 4(b)는 등가 회로를 사용하여 연속 DEIS 테스트 결과(그림 2에 표시됨)를 피팅하여 얻은 SOC에 따른 Dynamic R~ct ~의 변화를 보여줍니다. 0%~70% SOC 범위 내에서 Dynamic R~ct ~가 먼저 급격히 감소(0%-30% SOC)한 다음 더 느리게 감소(30%-70% SOC)하는 것을 관찰할 수 있습니다. LFP 배터리의 경우 충전/방전 전압 평탄도가 비교적 평탄하기 때문에 실제 응용 분야에서 개방 회로 전압(OCV) 곡선을 사용하여 SOC를 추정하면 다른 셀 화학에 비해 오류가 상당히 큰 것으로 알려져 있습니다[3]. 그러나 DEIS 분석은 Dynamic R~ct ~의 변화가 SOC와 강한 상관 관계를 보인다는 것을 보여줍니다. 따라서 LFP 배터리의 SOC를 추정하는 데 중요한 매개변수로 사용할 수 있습니다.
Figure 3. (a) Micro-model for Li-ion intercalation/deintercalation in electrode active materials proposed by Barsoukov et al.; (b) Typical EIS spectrum for Li-ion deintercalation/intercalation in electrode active materials.
Figure 4. (a) Common equivalent circuit model for lithium batteries; (b) Variation curve of dynamic R~ct~ with SOC derived from continuous DEIS testing of a 40Ah LFP power battery.
5. Summary
IEST 배터리 임피던스 테스터 (그림 5의 BIT6000) 는 타사 충방전 장비와 함께 사용하여 대용량, 저내부 저항 배터리에 대한 연속 Dynamic EIS 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 테스터는 충방전 과정에서 발생하는 과도 전기화학적 거동을 효과적으로 포착하여 리튬 이온 배터리의 비정상 상태 반응 속도론 연구를 용이하게 합니다. 또한, 40Ah LFP 전력 배터리에 대한 연속 Dynamic EIS 테스트 결과 Dynamic R~ct ~와 SOC 사이에 강력한 상관관계가 확인되어 LFP 셀의 SOC를 추정하는 중요한 매개변수로서의 가능성을 시사했습니다 .
Figure 5. Appearance of the Battery Impedance Tester (BIT6000)
6. References
[1] E. Barsokov, D.H. kim, H.-S. Lee, H. Lee, M. Yakovleva, Y. Gao and J.F. Engel, Comparison of kinetic properties of LiCoO2 and LiTi0.05Mg0.05Ni0.7Co0.2O2 by impedance spectroscopy. Solid State Ionics 161 (2003) 19-29.
[2] E. Barsoukov and J.R. Macdonald. Impedance spectroscopy theory, experiment, and applications. Second Edition. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2005.
[3] P.P. Xu, J.Q. Li, Q. Xue and F.C. Sun. A syncretic state-of-charge estimator for LiFePO4 batteries leveraging expansion force. J Energy Storage 50 (2022) 104559.
니켈-풍부 니오븀 도핑 적층 산화물(Nb⁵⁺ doping on Ni-rich layered oxide cathode : NRLOs)은 리튬 이온 배터리용 고에너지 밀도 양극재로 유망하지만, 사이클 중 기계적 화학적 열화로 인한 용량 감소 및 계면 불안정성 문제가 있습니다. 도핑 방식으로 이러한 문제를 개선할 수 있지만, 근본적인 메커니즘은 아직 불분명합니다. 본 연구에서는 니오븀(Nb⁵⁺)의 도핑을 통해 LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂(NCM811) 에서의 기계 화학적 안정화를 연구합니다.
주요 연구 사항은 다음과 같습니다.
입자 미세화(∼세라믹/합금 강화 효과)로 내부 변형을 줄이고 산소 손실을 억제합니다.
H2-H3 전이 동안 안정화된 단사정계 상(monoclinic phase)과 사이클링 후 스피넬 쌍정계 경계 (spinel twin boundaries) 형성.
낮아진 마이그레이션 장벽을 통한 강화된 Li⁺ 의 확산 (DLi= 3×10^−8cm²/s vs. 1×10^ −8cm²/s in pristine)
강력한 Nb-O 결합은 전이 금속 이동, 산소 방출, 그리고 암염상 형성을 억제합니다. 0.5 wt.% Nb 도핑된 NCM811은 0.1C에서 233.8mAh/g의 용량을 제공하며, 500 사이클(1C) 후 80.5%의 용량 유지율을 보입니다. 이는 도핑되지 않은 NCM811(199.2mAh/g, 68% 용량 유지율) 보다 우수한 성능입니다.
2. Introduction of Grain-Refinement and Mechanical Performance
낮은 함량의 Nb 도핑(0.5 wt.% Nb)이 진행되었습니다. 표면 코팅 아티팩트를 방지하기 위해 중량% Nb)를 사용했습니다. XRD 패턴의 리트벨트 미세화(Rietveld refinement) 분석 결과, NCM811과 NCM811-0.5Nb 모두 α ‑NaFeO₂ 형 육방정계(R-3m) 구조를 가지며, Nb 도핑은 격자 상수와 단위 셀 부피를 약간 확장시키는 것으로 확인되었습니다. NCM811-0.5Nb의 Li⁺/Ni²⁺ 혼합비는 4.1%(NCM811)에서 1.7%로 감소했습니다. FIB-SEM 분석 결과, Nb 도핑은 입자 크기를 현저히 미세화하고, 패킹 밀도를 증가시키며, 내부 공극을 제거하여 "미세 ‑입자 강화" 효과를 나타냄을 보여줍니다. 수차 보정 STEM 이미징은 용융된 결정립계와 저각 경계 형성을 보여주며, 이는 기계적 견고성을 크게 향상시킵니다. IEST 단일 입자 힘 특성 시험 시스템(SPFT) 은 5.1 µm 입자에서 NCM811-0.5Nb 의 파괴 응력은 도핑되지 않은 NCM811의 파괴 응력보다 커 기계적 강화에 있어서 Nb의 중요한 역할을 강조합니다.
Figure 1. Morphology, microstructure, and mechanical behavior of NCM811 vs. NCM811-0.5Nb.
3. Electrochemical Performance and Li⁺ Diffusion Enhancement
2.8~4.3 V 윈도우에서, NCM811‑0.5Nb는 233.8mAh g⁻¹(at 0.1 C)의 초고방전 용량을 제공합니다. 원래 NCM811의 경우 199.2mAh g⁻¹ 입니다. dQ/dV 스펙트럼은 H1 → M → H2 → H3 전이에 해당하는 세 개의 산화환원쌍을 보여줍니다. NCM811-0.5Nb의 향상된 용량은 주로 H1 – M – H2 영역에서 발생합니다. Nb 도핑은 H1 → M의 피크 세기를 낮추고 H2 → H3를 더 낮은 전위로 이동시켜 상전이 속도론의 가속 및 단사정계 상 안정성 향상을 나타냅니다. 1 C에서 500 사이클 후 용량 유지율은 80.5%입니다. NCM811의 경우 68.0% 입니다. GITT 측정 결과 Li⁺의 확산 계수 (D_Li⁺) 가 1.0×10⁻⁸ cm² s⁻¹ 에서 3.0×10⁻⁸ cm²s⁻¹ 로 증가하는 것으로 나타났습니다. DFT 계산은 Nb가 층간 간격을 확장시켜 팔면체-팔면체 직접 홉(ODH)과 사면체 부위 매개 홉(TSH) 모두에서 정전기 장벽을 감소시킨다는 것을 추가로 보여줍니다. PDOS 분석 결과, 더 강한 Ni 3d–O 2p 하이브리디제이션(hybridization)과 함께 t₂g 대역폭(bandwidth)이 넓어지고 페르미 레벨 근처의 상태가 증가하여 Ni 산화 동안 전하 이동이 용이해집니다.
Figure 2. Rate capability and cycle stability of NCM811 vs. NCM811-0.5Nb, plus DFT-derived Li⁺ migration pathways and PDOS.
4. Suppression of Fatigue-Induced Phase Changes
In-situ XRD는 반복적인 H2-H3 사이클링이 순수한 NCM811에서 격자 피로를 유발하는 반면, Nb 도핑은 이러한 저하를 크게 완화하여 사이클링 전체에 걸쳐 위상 일관성을 유지한다는 것을 보여줍니다.
Figure 3. In-situ XRD monitoring of phase evolution under galvanostatic cycling.
5. Microcrack Formation and Stabilization Mechanisms in Ni-Rich Cathodes
본 연구는 장시간 사이클 동안 Ni 함량이 높은 양극재에서 미세균열 확산이 주요 열화 모드로 나타남을 확인했습니다. 500 사이클 후 단면 SEM 이미지 분석 결과, Nb 도핑된 NCM811-0.5Nb에 비해 NCM811에서 훨씬 더 많은 균열이 관찰되었습니다.
- Microstructural Evolution Analysis (HAADF-STEM)
NCM811: 광범위한 입계 균열은 2차 입자 핵에서 발생하여 결정립계(GBs) 따라 확산됩니다. 이러한균열은 전해질 침투를 촉진하여 계면 부반응을 악화시킵니다. GB는 변형률 집중 지점으로 작용하여 반복 응력을 축적하고 심각한 입자 파괴를 유발합니다.
NCM811-0.5Nb: 500회 사이클 후에도 균열이 관찰되지 않음; 2차 입자가 구조적 응집력을 유지함.
- Stabilization Mechanisms Enabled by Nb⁵⁺ Doping
1. 입자 미세화 강화:
Nb 도핑은 1차 입자 크기를 줄여 세라믹/합금 강화와 유사한 "결정립 미세화" 효과를 유도합니다.
GB 밀도가 증가하면 내부 변형 에너지가 소산되고, 균열 전파가 억제되며, 기계적 견고성이 향상됩니다.
2. 격자 산소 안정성(EELS 분석):
O K-edge 스펙트럼은 두 개의 특징적인 피크를 나타냅니다.
Pre-edge (P): O 1s에서 TM 3d 오비탈과 혼성화된 비어 있는 상태로의 전자 전이에서 발생합니다.
Main peak (M): O 1s에서 Ni 4sp 밴드로의 전환에 해당합니다.
NCM811: GB 표면에서 P/M 비율 감소는 표면 우선 산소 방출로 인한 산소 결손을 나타냅니다. 이는 무질서한 상 형성을 가속화하고 리튬 이온 확산 속도 (kinetics)를 저하시킵니다.
NCM811-0.5Nb: 균일한 TM 산화수와 높은 P/M 비는 격자 산소의 안정화를 확인시켜 줍니다. 강력한 Nb-O 결합은 산소 방출을 완화하여 분해 과정을 방해합니다.
3. 스피넬 트윈 경계 형성:
사이클 후 관찰 결과, 층상 구조의 입자 사이에 스피넬 트윈 경계의 에피택셜 성장이(epitaxial growth of spinel twin boundaries )이 나타났습니다.
이러한 경계는 인접한 다층 도메인에 에피택시얼 결합된 스피넬 상으로 구성되며, Nb에 의한 결정립 미세화와 조절된 계면 응력에서 비롯됩니다.
이들은 H2↔H3 상 전이 동안 완전한 무질서를 제한하고 갑작스러운 내부 변형을 완화하여 장기 순환성을 크게 향상시킵니다.
Figure 4. Morphological and structural evolution after cycling.
탈리튬화 과정에서 NCM811 및 NCM811-0.5Nb 이차 입자의 응력 및 손상 변화를 더욱 자세히 조사하기 위해 ABAQUS에서 화학-기계적 시뮬레이션을 수행했습니다. 그림 5는 1차 입자 내부의 층간 채널과 결정립계(GBs)를 통해 이차 입자의 중심부에서 표면으로 리튬 이온이 추출되는 과정을 보여 줍니다.
Simulation Methodology:
경계(Boundary) 조건 : 수치적 수렴을 보장하기 위해 입자 표면에 정규화된 Li 농도 C Li = 0.5.C Li = 0.5를 적용했습니다.
농도 범위 : CLiCLi는 1.0(완전 리튬화)에서 0.5(부분적으로 탈리튬화)까지 다양하며, CLi=0CLi=0은 완전한 탈 리튬화를 나타냅니다 .
Key Findings:
NCM811:
탈 리튬화 과정에서 이질적인(heterogeneous) Li ⁺ 농도 분포가 생성되었습니다.
이러한 불균일성은 GB에서 심각한 불일치 응력을 유발하여 입자 간 손상과 균열 발생을 촉발했습니다.
균열이 GB를 따라 확산되면서 응력 완화가 발생했습니다.
NCM811-0.5Nb:
Nb 도핑은 결정립 방향의 차이를 줄여 더 균일한 Li⁺ 농도 프로필을 생성합니다.
농도 균일성이 향상되어 GB 불일치 스트레스가 완화되고 입자 분해가 완화되었습니다.
Figure 5. Finite-element profiles of normalized Li concentration and resulting stress fields during delithiation.
Figure 6. Schematic of failure mechanism in NCM811 and Nb-doped improvement strategy.
6. Summary and Outlook
니켈-풍부 니오븀 도핑 적층 산화물(NRLOs)에 대한 Nb ⁵⁺ 도핑의 기계적 & 화학적 결합 효과가 규명되었습니다. 기계적으로, Nb 도핑은 1차 결정립을 미세화하고 결정립계를 융합시켜 H₂ - H⁺ 상전이 동안 내부 응력을 효과적으로 완화하고 사이클 전체에 걸쳐 미세균열 발생을 방지합니다. 이러한 관찰 결과는 ABAQUS의 화학기계적 결합 시뮬레이션을 통해 뒷받침됩니다. 화학적으로, Nb 첨가는 Nb ‑ O 결합을 강화하고 층간 간격을 확장하여 전이금속((transition-metal) 층에서 Li 층으로의 전이금속 이동을 억제하고, 합성 및 전기화학적 사이클 동안 Li/Ni 반사이트(antisite) 결함 형성을 감소시킵니다. 기본 원리 계산 결과, Nb 도핑이 층상 격자 내 Li⁺ 이동 에너지 장벽을 낮춰 Li⁺ 확산도를 향상시킴을 확인 했습니다. 사이클 후 미세 구조 분석 결과, 스피넬 유형의 쌍정 경계가 형성되어 Li ⁺ 전달이 더욱 용이해지고, 추가적인 균열 전파와 입자 분쇄가 억제되는 것으로 나타났습니다.
간단한 Nb 도핑 전략은 차세대 전기차 배터리의 성능 요건을 저해하지 않으면서도 고용량, 급속 충전 기능, 긴 사이클 수명 및 안전성 유지를 달성합니다. 그럼에도 불구하고 NRLOs의 장기 사이클 안정성은 여전히 과제로 남아 있습니다. 향후 연구는 비용량을 더욱 증가시키고, 화학기계적 관점에서 NRLOs의 구조적 견고성을 향상시키기 위해 결정립 크기, 결정립 방향 및 격자 화학을 제어하는 전략을 설계하고 구현하는 데 집중할 것입니다. 이러한 접근법을 대량 생산으로 확장하는 데는 상당한 어려움이 따르지만, 본 연구는 고에너지 밀도 저장 응용 분야를 위한 고성능 적층형 산화물 양극재 개발에 중요한 과학적 지침을 제공합니다.
7. Testing Instruments Recommendation
IEST Single Particle Force Properties Test System(SPFT2000)
Application:
• Testing the crushing strength of battery material particles
• Can be used to evaluate the pressure resistance of the material
• Guide the rolling process
• Materials with high mechanical strength will have better subsequent cycle stability.
< Rate-Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO4 Cathode via Functional Interface Engineering >
1. Article 정보
Title: Rate-Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO4 Cathode via Functional Interface Engineering
First Author: Rui Tang
Corresponding Authors: Jinyang Dong*, Yuefeng Su*, Lai Chen*
Affiliations: Beijing Institute of Technology; Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center; China Electric Power Research Institute; State Grid Henan Electric Power Research InstituteInstrument: IEST Powder Resistivity & Compaction Density Measurement System (PRCD3100)
2. 연구 배경
경제적 지속 가능한 발전과 에너지 구조의 전환으로 인해 고성능 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가했으며, LiFePO₄는 뛰어난 열 안정성과 낮은 비용으로 인해 주목을 받고 있습니다. 그러나 LiFePO₄ 재료는 전자 전도도가 낮고 리튬 이온 확산 계수가 낮아 고속 조건(high-cycling-rate)에서 LiFePO₄ 배터리의 활용이 제한됩니다. Coating, doping, morphology 제어 등의 공정을 통해 재료의 운동 특성(kinetic properties)과 안정성을 개선하려는 많은 연구가 있었지만, 운동 특성과 안정성 사이의 본질적인 관계는 아직 완전히 연구되지 않았습니다. 충방전 속도는 사용자의 배터리 전력 수요와 직접적으로 관련이 있으므로, 저속 및 고속 사이클 과정에 따라 재료의 파괴 거동(failure behavior)의 차이를 이해하는 것은 고속 충방전 환경에서 LiFePO₄ 의 application 확장에 매우 중요합니다.
LiFePO₄ 배터리의 분해(degradation) 원인은 주로 활성 리튬의 비가역적 손실과 관련이 있습니다. 즉, 충전 과정 중에 방출된 리튬이 방전 과정에서 격자(lattice)에 완전히 다시 삽입되지 않아 용량이 감소하는 것입니다. 사이클 속도가 높을수록 응력(stress)과 변형률(strain)이 증가하고 임피던스도 증가하므로 돌이킬 수 없는 상(phase) 전이가 발생할 가능성이 더 큽니다. 또한 LiFePO₄ 은 본질적으로 반응 속도가 느리기 때문에 리튬 삽입 및 추출(extraction/insertion)이 고르지 못하며, 이로 인해 고속 조건에서 구조적 분해가 심화됩니다. 사이클 속도가 낮을수록 분극 효과는 감소하고 리튬화/탈리튬화(lithiation/delithiation)가 더 안정적이지만, 반응 시간이 길어지면서 부산물이 더 많이 축적되고 리튬 소모가 커져 사이클 수명에 영향을 미칩니다. 이러한 연구 결과는 파괴 메커니즘이 사이클 속도에 따라 크게 다르다는 점과 메커니즘마다 목표에 맞는 개선 전략을 개발해야 한다는 점을 보여줍니다.
3. 연구 개요
최근, 베이징 공업 대학(Beijing Institute of Technology)의 연구원들이 기능적 계면 공학 설계를 통해 LiFePO₄ 의 속도 의존 파괴 거동(rate‐dependent failure behavior) 특성을 성공적으로 제어했습니다. 더 빠른 충방전 속도에서, 기능성 인터페이스 층은 질소 와 리튬 사이의 친화도(affinity)를 활용하여 리튬 이온의 이동을 촉진하고 내부 분극을 줄이며, 기계적 응력을 완화시켜 구조적 분해( degradation)가 억제되었습니다. 낮은 속도에서는 기능성 계면 층은 안정적인 양극-전해질 계면(CEI) 형성에 기여하기 때문에 효과적으로 부반응을 억제하고 활성 리튬의 손실을 최소화 합니다. 연구진은 실험과 이론적 계산을 통해 충방전 속도에 따른 파괴 거동 조절의 핵심 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이는 빠른 충방전 및 장기간 안정적인 사이클을 필요로 하는 첨단 에너지 저장 시스템에서 LiFePO4 재료의 응용을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다. 관련 연구는 " Rate-Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO4 Cathode via Functional Interface Engineering" 이라는 제목으로 최고 국제 저널인 Advanced Functional Materials에 게재되었습니다.
그림 2. 사이클 속도(C-rate)에 따른 구조적 파괴 매커니즘
4. Key Points of the Article
4.1 Verification of Rate‐Dependent Failure Behavior Regulation via Functional Interface Engineering
그림 2. 사이클링 후 구조 및 표면 구성 분석
사이클링 후 샘플에 HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy) 와 TOFSIMS(Time-of-flight secondary ion mass spectrometry) 테스트를 수행하여 구조 및 표면 구성의 변화를 분석했습니다. HRTEM 결과 PLFP 샘플에서는 FePO₄ 과 LiFePO₄ 의 두 가지 상이 나타나는 반면, LFP@2NC 샘플에서는 단일 LiFePO₄ 상 만이 존재하여 PLFP 샘플에서 비가역적인 상 변화가 나타났음을 알 수 있습니다. GPA(geometrical phase analysis) 분석을 통해 PLFP의 두 가지 상 계면이 더 큰 인장응력(tensile stress)을 나타내는 것을 알 수 있는데, 이것이 비가역적 상변화의 근본 원인일 수 있습니다. TOFSIMS는 샘플 표면 구성의 차이를 반영하며, LFP@2NC 샘플 표면에 부반응 생성물의 축적이 더 적다는 것을 알 수 있습니다. 따라서, 기능성 인터페이스 층은 응력과 변형을 감소시키고 부반응 생성물의 침전을 억제함으로써 LiFePO₄의 속도 의존 파괴 거동을 동시에 조절할 수 있습니다.
4.2 Impact of Functional Interface Engineering on Initial Charge/Discharge Behavior
그림 3. 충방전의 첫 번째 사이클 동안 표면 구성 및 구조의 변화
기능적 인터페이스의 공학적 변형(functional interface engineering modification) 메커니즘에 대한 연구가 수행되었습니다. 충방전 초기 1주일 동안의 계면 변형 영향을 자세히 연구하기 위해 PLFP 과 LFP@2NC 샘플에 대한 Non-in-situ XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 실험, in-situ EIS 실험, DRT(Distribution of relaxation times)분석 및 전기화학적 in-situ XRD(X-ray diffraction) 실험이 수행되었습니다. Non-in-situ XPS에서 LFP@2NC 샘플은 1주차에 LiF 신호 피크가 없는 반면, PLFP 샘플의 LiF 신호는 충전이 끝날 때 나타났다가 방전이 끝날 때 사라지는 것을 알 수 있습니다. 이는 활성 리튬이 반복적으로 소모되고 표면 부산물이 축적되는 경향이 있었음을 나타냅니다. In-situ EIS와 전기화학적 in-situ XRD는 모두 인터페이스가 변형된 물질이 동일한 충방전 조건에서 더 나은 사이클 가역성을 나타내는 것을 보여주며, 이는 운동 특성이 향상되었음을 나타냅니다.
4.3 Theoretical Calculations and Simulations on the Regulation Mechanism
그림 4. 이론적 계산 및 시뮬레이션 결과
기능적 인터페이스의 공학적 변형이 속도의존 파괴 거동에 미치는 영향을 더욱 잘 이해하기 위해 이론적 계산과 시뮬레이션이 수행되었습니다. 차등 전하 밀도(Differential charge density)는 계면층에서 Fe와 N 사이에 전하 교환이 일어나고 있음을 보여주는데, 이는 Fe-O 결합의 강도를 향상시켜 고속 사이클링에서 LiFePO₄ 에 더 강한 구조적 안정성에 기여합니다. 흡착(Adsorption) 에너지 계산은 또한 N-Li 간의 친화도를 입증하는데, 이는 리튬 이온의 향상된 이동성의 기반을 마련합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 충방전 중 기능적 인터페이스 엔지니어링의 응력 해소(stress-relieving) 효과가 입증되었습니다. 더 강한 리튬 이온 이동 능력, 더 안정적인 구조, 응력 축적 감소는 기능적 인터페이스가LiFePO₄ 의 속도의존 파괴 거동을 조절할 수 있는 능력을 제공합니다.
5. Conclusions
이 연구는 기능적 인터페이스 엔지니어링을 통해 리튬 철인산의 속도 의존 파괴 거동을 효과적으로 조절했습니다. 고속 사이클링에서는 LiFePO₄ 의 파괴 거동은 주로 응력 축적으로 인한 구조적 분해로 인해 발생하고, 저속 사이클링에서는 LiFePO₄ 의 파괴 거동은 주로 부반응 생성물의 축적과 활성 리튬의 소모로 인해 발생합니다. 질소 기반 계면층은 고속 사이클 조건에서 리튬 이온 이동 동역학을 향상시키고, 응력을 줄이며 구조적 분해를 방지하고, CEI 형성에 참여하고, 저속 사이클 조건에서 부반응 생성물의 축적과 활발한 리튬 소모를 억제하여 다양한 속도에서 파괴 거동을 조절하도록 설계되었습니다. 버튼형 반전지(both button-type half-cells)와 Ah급 소프트팩 전지(soft-pack full cells) 모두에서 기능적 인터페이스 엔지니어링 변형이 성공적으로 검증되어 LiFePO₄ 의 파괴 동작을 효과적으로 조절하고 고전력 에너지 저장 애플리케이션에 대한 잠재적 솔루션을 제공합니다.
6. 실험 장비: IEST Powder Resistivity & Compaction Density Tester
(PRCD3100)
소개: PRCD3100은 고정밀 압력 제어, 두께 및 저항 테스트 시스템으로 4-probe 및 2-probe 방식 중 선택할 수 있습니다. 재료 연구 및 개발과 분말 재료의 배치 안정성 모니터링을 위해 분말의 비저항 및 압축 밀도를 정확하게 테스트합니다.
7. Reference
Rui Tang, Jinyang Dong*, Chengzhi Wang, Yibiao Guan, Aining Yin, Kang Yan, Yun Lu, Ning Li, Guangjin Zhao, Bowen Li, Wenjun Shen, Feng Wu, Yuefeng Su*, and Lai Chen*. Rate‐Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO₄ Cathode via Functional Interface Engineering. Advanced Functional Materials, 2025: 2421284. https://doi.org/10.1002/adfm.202421284
< How to Accurately Measure of Battery Direct Current Internal Resistance(DCIR) >
What is DCIR?
Direct Current Internal Resistance (DCIR) refers to the resistance value calculated using Ohm's Law by applying a direct current step signal to a battery and measuring its voltage change. DCIR represents the total internal impedance of a battery, which includes ohmic resistance and polarization resistance. As a core component of new energy vehicles, energy storage systems, and consumer electronics, battery performance and safety have always been key concerns in the industry. DCIR is one of the most commonly used and intuitive performance parameters in battery testing. It is closely related to a battery's power characteristics and energy efficiency, and also provides critical references for lifespan prediction and safety assessment.
In this article, we will demonstrate how to perform DCIR testing using IEST's high-precision charge-discharge equipment in accordance with the IEC61960 international standard, and walk through the actual testing process via software steps.
2. Why is DCIR Testing So Important?
DCIR testing is a core and critical method for evaluating battery performance, state of health (SOH), and safety. Its importance can be understood from the following key aspects:
2.1 Directly Reflects Battery State of Health (SOH)
2.2 Key Indicator for Evaluating Power Performance
2.3 Important safety safeguard
2.4 Core parameter for Battery Management System (BMS) algorithms
The BMS is the “brain” of a battery pack, and accurate internal resistance data are foundational to its decision-making:
2.5 Benchmark for production efficiency and quality control
DCIR testing is commonly implemented as a 100% inspection item in manufacturing:
3. Basic Principle of DCIR Measurement
DC internal resistance measurement typically employs the current pulse method. The principle is as follows:
R = ΔV / ΔI
Where: ΔV = Voltage difference before and after the current pulse
ΔI = Magnitude of the pulse current
The key lies in relying on a high-precision, high-speed sampling system to capture millisecond-level voltage transitions. IEST's high-precision charge-discharge equipment achieves voltage and current measurement accuracy up to 0.01% and supports 100 Hz high-speed sampling. This enables not only precise control of pulse signals but also efficient and reliable acquisition of critical data.
4. Test Step Configuration
Below illustrates the typical steps our equipment follows when performing IEC61960 DCIR testing:
Figure 1. DCIR Test Steps – IEST ECT & ERT Series Products
4.1 Rest Phase
4.2 Constant Current Discharge Pulse (0.2C, 10s)
4.3 Short Pulse Verification (0.2C, 1s)
Figure 2. Automatic DCIR Calculation and Export – IEST Analyzer Software
5. Advantages of Our Equipment
Compared to traditional equipment, our system offers superior accuracy, flexibility, and safety:
5.1 High-Precision Sampling
5.2 Flexible Step Design
5.3 Powerful Data Processing Capability
5.4 Compliance with International Standards
5.5 Safety Protection Mechanisms
6. Application Scenarios
Our DCIR testing solutions have been applied in multiple fields:
7. Summary
In simple terms, DCIR is like a "cardiovascular health check" for batteries:
By measuring this metric, doctors (engineers) can assess a person's physical capacity (power performance), health status (SOH), and risks of stroke or heart attack (safety), and accordingly formulate treatment plans (BMS management strategies).
Therefore, throughout the entire lifecycle of a battery—from R&D and manufacturing to usage and end-of-life recycling—DCIR testing is an indispensable core evaluation method, and its importance is self-evident.
If you are looking for a high-precision battery testing solution, feel free to contact us for more details!
원본: Entering Electrochemistry | How to Accurately Measure of Battery Direct Current Internal Resistance(DCIR)
How to Accurately Measure of Battery Direct Current Internal Resistance.docx
862KB< Separator Ionic Conductivity under Temperature Control:
A New Perspective for Performance Optimization >
1. Background
As the primary energy storage device for modern electronics and electric vehicles, the performance of lithium-ion batteries is influenced by various factors, with temperature being a critical environmental variable. The separator, a key component in lithium-ion batteries, serves to isolate the positive and negative electrodes to prevent short circuits while allowing lithium ions to move freely through the electrolyte. The separator ionic conductivity of directly affects the battery's charge-discharge performance and overall efficiency.
Research indicates that temperature variations significantly impact the microstructure of the separator and the ion transport properties of the electrolyte, thereby influencing the separator's ionic conductivity. As temperature increases, the electrolyte viscosity decreases, accelerating ion migration and enhancing the ionic conductivity of the separator. However, excessively high temperatures may cause softening or melting of the separator material, damaging its porous structure and reducing ion transport efficiency. Conversely, at low temperatures, the electrolyte viscosity increases, slowing ion migration and leading to a decrease in the separator's ionic conductivity. Therefore, studying the effect of temperature on the ionic conductivity of separators is crucial for optimizing the performance and safety of lithium-ion batteries.
This article examines the influence of temperature on the separator ionic conductivity by testing changes in ionic conductivity under different temperature conditions.
2. Test Conditions & Methods
2.1 Test Equipment
The multi-channel ionic conductivity test system (EIC2400M) developed by IEST was used, as shown in Figure 1. This device includes four test channels, provides a high-purity argon atmosphere, and enables electrochemical impedance spectroscopy (EIS) testing of multi-channel symmetric cells. The pressure range is 10–50 kg, and the frequency range is 100 kHz–0.01 Hz.Figure 1. Multi-channel ionic conductivity test system(EIC2400M)
2.2 Test Sample
Separator A
2.3 Test Process & Calculation Method for Separator Ionic Conductivity:
Place the separator samples in one, two, three, and four layers into the corresponding four channels → Close the equipment door, evacuate the inner chamber, and fill it with high-purity argon to remove moisture → Perform quantitative liquid injection into each channel → After the soaking time is reached, automatically test EIS → Finally, obtain the separator ionic conductivity through software fitting and calculation. The calculation method for separator ionic conductivity is as follows: Fit the EIS of each separator layer as the baseline. The intersection point of the fitted line with the X-axis is Rs, which represents the impedance Rs(n) of n separator layers, as shown in Figure 2(a). Perform linear fitting with the number of layers as the X-axis and the impedance value of each layer as the Y-axis. The slope of the resulting linear fitting equation is the ionic resistance R of a single separator layer, as shown in Figure 2(b).
Figure 2. EIS impedance spectra for different separator layers (a); R-value fitting graph (b)
Substitute the obtained ionic resistance R into Formula 1 to calculate the separator ionic conductivity.
3. Results Analysis
Figure 3: Electrochemical impedance spectra of the separator at different temperatures
Table 1: Ionic resistance and ionic conductivity values of Separator A at different temperatures
Figure 4. Relationship between separator ionic conductivity and temperature
Figure 3 shows the EIS impedance spectra of the separator measured at different temperatures. Linear fitting was performed using the obtained EIS as the baseline, and the intersection values of the fitted line with the X-axis were recorded. As shown in Table 1, the impedance values R1, R2, R3, and R4 for 1 to 4 separator layers were obtained. Linear fitting was performed with the number of layers as the X-axis and R1, R2, R3, and R4 as the Y-axis to determine the ionic resistance of the separator. The ionic resistance was then substituted into the formula to calculate the ionic conductivity, with the results listed in Table 1. The trend in Figure 4 shows that the separator ionic conductivity significantly increases with rising temperature.
The electrolyte viscosity is a key factor affecting ionic conductivity. According to the Stokes-Einstein equation, ion migration rate is inversely proportional to the electrolyte viscosity. Therefore, as temperature increases, the electrolyte viscosity decreases, accelerating the migration rate of lithium ions and leading to an increase in the separator ionic conductivity. As shown in Table 1, the separator ionic conductivit increases from 0.7691 mS/cm to 1.8336 mS/cm as the temperature rises from 25°C to 70°C. In addition to changes in electrolyte viscosity, temperature also affects the microstructure of the separator. The porous structure of the separator is the main channel for lithium ion transport. As temperature increases, molecular motion in the separator material intensifies, potentially leading to enlarged pores or increased porosity, further promoting ion transport. However, excessively high temperatures may cause softening or melting of the separator material, damaging its porous structure and reducing ion transport efficiency. Separator A exhibits high ionic conductivity at elevated temperatures, indicating that its material maintains good structural stability under high-temperature conditions.
4. Conclusion
This study experimentally tested the changes in separator ionic conductivity at different temperatures and found that temperature significantly affects the ionic conductivity of separators. As temperature increases, the separator ionic conductivity shows an upward trend, though the rate of change varies among different separators. Separator A demonstrates high ionic conductivity at high temperatures, indicating that its material maintains good structural stability under such conditions.
The impact of temperature on the ionic conductivity of separators is closely related to both the microstructure of the separator material and changes in the viscosity of the electrolyte. Therefore, a comprehensive understanding of the effects of temperature on separator microstructure and electrolyte performance is essential for optimizing the performance and safety of lithium-ion batteries. By rationally selecting separator materials and electrolytes, the performance of lithium-ion batteries can be effectively improved across a wide temperature range, extending battery lifespan.
Original Article Link: Separator Ionic Conductivity under Temperature Control: A New Perspective for Performance Optimization
Separator Ionic Conductivity under Temperature Control- A New Perspective for Performance Optimizati
824KB< Entering Electrochemistry | Application of Broadband Dynamic EIS Testing in Battery Cell >
Within the battery testing field, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is an indispensable analytical technique. Functioning like an "X-ray machine," it enables non-destructive interrogation of a cell's internal state, providing insights into battery health, aging mechanisms, and material properties. This raises a critical question: Among the diverse EIS testing equipment available on the market, which offers superior performance? Today, we conduct a direct comparison between our IEST ERT7008 System and a renowned international electrochemical workstation to evaluate which delivers more precise and stable EIS measurements!
1. What is EIS Testing?
EIS, an acronym for Electrochemical Impedance Spectroscopy, fundamentally involves applying a small-amplitude sinusoidal alternating current (AC) signal to a battery and measuring its complex AC impedance as a function of frequency. The data is typically presented as a Nyquist plot (Z' vs Z"). This technique non-destructively resolves the impedance characteristics of various interfaces and bulk phases within the cell, encompassing electron/ion conduction, interfacial reaction kinetics, and mass transport processes. By analyzing the response features within distinct frequency regions of the EIS spectrum, key parameters such as SEI layer stability, charge transfer efficiency, and lithium-ion diffusion coefficients can be quantitatively assessed. This provides critical insights for optimizing battery material design, diagnosing degradation mechanisms, and enhancing electrochemical performance.
2. Applications of EIS in Lithium-Ion Battery Research
First, trace the lithium-ion transport pathway within the cell to identify the corresponding semicircular features on the Nyquist plot for each process. This facilitates the deduction of the underlying electrochemical mechanisms from the measured impedance curve.
Figure 1. Lithium-Ion Transport Pathway in a Lithium-Ion Battery
2.1 The diagram illustrates the Li⁺ transport sequence:
① External Circuit: Electron conduction (Cu current collector → Graphite anode).
② Graphite Anode: Li⁺ intercalation into graphite, traversing the SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer.
③ Electrolyte: Li⁺ solvation (binding with electrolyte solvent), migration through the porous separator.
④ Cathode (LiCoO₂): Li⁺ desolvation, passage through the CEI (Cathode Electrolyte Interphase) layer (if present), intercalation into the cathode active material.
⑤ External Circuit: Electron conduction via the Al current collector.
Figure 2. Physical and Chemical Properties of Electrochemical Systems Characterized by EIS in Different Frequency Ranges
The high-frequency region reflects the ionic transport characteristics across the SEI layer, the mid-frequency region corresponds to the charge transfer reaction, while the low-frequency region characterizes solid-state diffusion kinetics within the electrode material. By deconvoluting the impedance response across distinct EIS frequency domains, key electrochemical parameters governing interfacial and bulk processes can be quantitatively evaluated, including SEI film resistance (R_SEI), charge transfer resistance (R_ct), and diffusion impedance (R_w).
2.2 High-Frequency Region (First Semicircle)
2.3 Mid-Frequency Region (Second Semicircle)
2.4 Low-Frequency Region (Sloping Line)
3. Experimental Comparison
3.1 Experimental Setup：
Two distinct cell configurations were selected for EIS testing:
Coin Cell (4.15V, 25°C), Test Parameters: 100 kHz ~ 0.1 Hz, 10 mV sinusoidal signal amplitude (PEIS).
Pouch Cell (2Ah, 3.19V, 25°C), Test Parameters: 100 kHz ~ 0.1 Hz, 80 mA AC current amplitude (GEIS).
Figure 3. EIS Analysis–Different Cell Impedance Analysis
3.2 Results
The EIS data for the Coin Cell demonstrates exceptional congruence between the IEST ERT7008 (green curve) and the competitor equipment (red curve), indicating a very high degree of impedance data matching. Similarly, EIS results for the Pouch Cell show only minor discrepancies between the IEST system and the international electrochemical workstation, with deviations consistently below 5%.
4. IEST ERT 7 Series Specifications
4.1 Wide Frequency Range: 0.01 Hz ~ 100 kHz
4.2 High-Precision Signal Control: Accommodates cells from 10 mΩ to kΩ range
4.3 Support for Multiple EIS Modes: PEIS & GEIS
4.4 Why Choose IEST Instruments Solutions?
5. Featured Case Study: SOC/DOD Dependent Impedance
Conducting impedance tests at different States of Charge (SOC) and Depths of Discharge (DOD) provides a holistic understanding of internal cell changes during various charge/discharge stages. Variations in the EIS spectrum reveal the state of lithium-ion migration, charge exchange kinetics, and interfacial layers, enabling assessment of battery performance and degradation trends. This methodology is a vital tool for cell optimization design and lifetime prediction.
Figure 4. EIS Testing at different States of Charge (SOC) and Depths of Discharge (DOD)
6. Dynamic EIS Testing
Dynamic EIS is an advanced technique for real-time tracking of a battery's internal impedance evolution during operation. It enables concurrent measurement during charging or discharging, overcoming the limitation of traditional methods requiring test interruption. Dynamic EIS reveals the battery's "state of health" across different SOCs, unveiling details of electrochemical processes like Li⁺ transport within materials, charge exchange kinetics, and interfacial stability. This technology is crucial for battery design optimization, aging analysis, and application state monitoring. The IEST ERT7 series supports dynamic EIS testing on cells, with DC bias current capability ranging from microamps to over 10A, meeting diverse application needs.
Figure 5. Dynamic EIS Testing
7. Conclusion
This experimental study validates the EIS testing capability of the IEST ERT7008. The results demonstrate deviations of less than 5% compared to a renowned international electrochemical workstation, fully meeting the requirements for battery research, development, and testing. Furthermore, with its superior cost-effectiveness and responsive localized support, the IEST Instrument solution presents an optimal choice for battery testing equipment. For those seeking a precise, efficient, and stable EIS testing system, IEST Instrument is a highly recommended solution.
<Cyclic Voltammetry(CV): The Diagnostic Report for Electrode Materials>
1. 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)이란 무엇인가요?
순환전압전류법(CV)은 전극 재료의 "진단 보고서" 및 "성능 디코더"로 흔히 불리는 기본적인 전기화학 특성 분석 기법입니다. CV의 원리는 작업 전극에 삼각파형 전위(예: -0.2V → 1.0V → -0.2V)를 인가하면서 전류 반응을 기록하여 닫힌 전류-전압 곡선(CV 곡선)을 생성하는 분석방법 입니다. 이 과정은 배터리의 동적 충전/방전 동작을 시뮬레이션하여 다음과 같은 정보를 제공합니다.
리튬 이온 배터리 연구에서 순환 전압 전류법은 Li+의 삽입/탈리(예: 0.2V에서의 graphite vs Li+/Li)나 전해질 분해(>4.5V)와 같은 과정을 시각화하여 "전기화학적 ECG(심전도)"로 기능합니다.
2. 실험 데이터 및 해석
셀 : 24mAh 코인 셀(LiCoO2 cathode vs. graphite anode)
장비: IEST ERT6008-5V100mA 고정밀 전기화학 분석기(0.01% F.S. 정확도)
조건: 스캔 속도: 0.1/0.2/0.5 mV/s; 전압 범위: 3.0–4.2 V vs. Li+/Li
그림 1. 실험 데이터
낮은 스캔 속도(0.1 mV/s, 검정색 곡선):
높은 스캔 속도(0.5 mV/s, 초록색 곡선):
그림 2. 선형 피팅 플롯
선형 피팅: y = 93.262x - 7.868，R² = 0.9947
그림 3. 장비 비교(IEST vs 타사 장비)
IEST의 CV 분석 장비 및 다른 전기화학 워크스테이션(예: BioLogic 사 장비)의 일치율은 특히 비정상적 변동이 없는 고전압 영역(4.0-4.2V)에서 95% 이상이며, 이는 데이터 신뢰성과 연구의 요구사항 충족을 입증합니다.
3. 주요 방정식 및 결론
실험 결과는 Randles–Ševčík 방정식과 일치합니다.
그림 3. Randles–Ševčík 방정식
변수:
본질적으로 이 방정식은 피크 전류 i_p가 주사 속도 v의 제곱근에 정비례함을 보여줍니다. 결과적으로 CV 곡선의 모양은 주사 속도에 따라 달라지지만, 기본 프로파일은 일정하게 유지됩니다.
4. 요약
순환전압전류법(CV)은 전극 재료에 대한 포괄적인 진단 도구이자 성능 프로파일러 역할을 합니다. 위 실험은 IEST 장비의 성능을 강조하는 동시에 우수한 분석 기능을 보여줍니다. IEST의 장비는 BioLogic 브랜드와 동일한 데이터 정확도를 유지하며, 비교 편차를 1.5% 이내로 엄격하게 관리하고 비용 측면에서도 상당한 이점을 제공합니다.
특히, 2025년 2분기에 혁신적인 지능형 전기화학 데이터 분석 시스템을 출시하여 고급 CV 곡선 처리를 구현할 예정입니다.
클라우드 기반 데이터 동기화를 통합하여 중앙 데이터베이스와 클라우드 데이터베이스 간의 실시간 인터페이싱이 가능해졌습니다.
정밀성, 지능성, 그리고 신뢰성을 갖춘 IEST 전기화학 분석기는 점점 더 많은 실험실에서 주요 전기화학 진단 플랫폼으로 자리 잡고 있습니다. 연구 개발부터 양산까지 포괄적인 테스트 기능을 제공하는 전문 솔루션을 직접 경험해 보시기 바랍니다.
* 원문은 첨부 파일을 통해 확인하실 수 있습니다.
[ENG] Cyclic Voltammetry(CV) The Diagnostic Report for Electrode Materials.docx
288KB< Analysis of Five Critical Impacts of Electrode Flexibility on Battery Performance >
1. Introduction
현대 에너지 저장의 핵심인 리튬 이온 배터리(LIB)는 전기 자동차와 스마트 기기의 성능을 직접적으로 좌우합니다. 배터리의 "심장"인 전극 시트는 배터리 수명과 안전성에 영향을 미치는 핵심 지표인 전극 유연성에 크게 의존합니다. 취성(brittleness)이 있는 전극 시트는 충전/방전 사이클 동안 균열이 생기고 파쇄되어 용량 감소는 물론 안전 위험까지 초래할 수 있습니다. 전극 시트는 어떻게 강도와 유연성을 모두 확보할 수 있을까요? 이 글에서는 배터리 성능의 핵심 기술인 전극 유연성을 밝히고 IEST의 첨단 테스트 솔루션을 소개합니다.
그림 1. 리튬 배터리 전극 시트
2. Electrode Flexibility: The Hidden Arbiter of Battery Performance
2.1 The Lifeline of Cycle Life
그림 2. 사이클 후 파손된 배터리 전극 시트
2.2 제조 공정에 대한 리트머스(Litmus) 시험
2.3 성과의 척도
2.4 디자인 문제 해결
2.5 응용
그림 3. EV 차체 하부 충격 손상 후 열 폭주
3. 전극 유연성을 측정하는 방법
IEST 배터리 전극 유연성 테스트 시스템( BEF1000) 은 솔루션을 제공합니다. 이 장비는 응력-변형률 곡선 측정의 기본 원리를 사용합니다. 전극을 특정 각도로 구부리고 시험 고정부에 고정한 후, 변위를 가하여 변형시킵니다. 다양한 변형 수준에서 응력과 변형률(force-displacement)을 측정하여 유연성을 평가합니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 고품질 전극(시료 B)의 매끄러운 곡선은 저품질시료(시료 A)의 급격한 파단점(fracture point)과 뚜렷한 대조를 이루며, 이는 성능 차이를 명확히 보여줍니다.
그림 4.
그림 5. 두 샘플에 대한 유연성 테스트 데이터
4. Conclusion
전극 유연성은 고성능 배터리의 필수 요소입니다. 소재 개발 및 공정 최적화부터 실험실 테스트 및 대량 생산 관리에 이르기까지 유연성은 핵심 원칙이 되어야 합니다. IEST Instrument 의 혁신적인 솔루션은 업계에 정량적 기준을 제공하여 더욱 안전하고 오래 지속되는 차세대 배터리 개발을 지원합니다.
[ENG]Analysis of Five Critical Impacts of Electrode Flexibility on Battery Performance.docx
976KB< Binder, Conductive Additive, Active Material, Current Collector: Who Controls the Critical Factors of Electrode Flexibility? >
1. Introduction
효율적이고 친환경적인 에너지 저장 장치인 리튬 이온 배터리(LIB)는 전기 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 배터리의 핵심 부품 중 하나인 전극은 에너지 밀도, 사이클 수명, 그리고 안전 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 전극 유연성은 외부 힘에 의해 전극이 파손되지 않고 변형될 수 있는 능력을 의미하며, 전극의 기계적 특성을 평가하는 데 중요한 지표입니다.
전극의 유연성이 낮으면 충방전 사이클 중 전극의 균열 및 분말화 현상이 발생하여 활물질과 집전체의 접촉 불량, 내부 저항 증가, 용량 감소 가속화, 그리고 궁극적으로 배터리 수명 단축을 초래할 수 있습니다. 또한, 전극의 유연성이 낮으면 기계적 충격 시 내부 단락 위험이 높아져 배터리 안전성이 위협받습니다. 따라서 전극의 유연성에 영향을 미치는 요인을 규명하고 유연성이 뛰어난 전극 소재를 개발하는 것이 매우 중요합니다. 전극은 주로 활물질, 전도성 첨가제, 바인더, 그리고 집전체로 구성됩니다(그림 1). 이러한 구성 요소들은 전극의 유연성을 조절합니다. 각 구성 요소의 역할과 매커니즘이 아래 내용과 같이 분석되었습니다.
2. Active Material: The "Dominant Player" in Volume Change and Stress Distribution
활물질은 전극에서 리튬 이온을 저장하고 방출하는 주요 구성 요소입니다. 활물질의 종류와 형태는 전극의 유연성에 영향을 미칩니다.
3. Conductive Additive: The "Double-Edged Sword" of Conductive Network and Mechanical Strength
전도성 첨가제의 주요 역할은 전극의 전자 전도도를 향상시키는 것입니다. 전도성 첨가제의 종류, 함량 및 분산도 전극 유연성에 영향을 미칩니다.
4. Binder: The "Adhesive" for Electrode Components
바인더는 전극의 필수 구성 요소입니다. 바인더의 주요 기능은 활물질, 전도성 첨가제, 그리고 집전체를 결합하여 전극에 기계적 강도를 부여하는 것입니다. 바인더의 종류, 함량, 그리고 분자량은 전극의 유연성에 영향을 미칩니다.
5. Current Collector: The "Supporting Skeleton" of the Electrode
집전체는 전극 내 전자 전달을 위한 운반체 역할을 합니다. 집전체의 재질, 두께, 표면 처리는 전극의 유연성에 영향을 미칩니다.
6. Innovative Testing Methods for Electrode Flexibility
전극 유연성은 리튬 이온 배터리의 사이클 수명과 안전 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 전극 구성 및 제조 공정을 최적화함으로써 매우 유연한 전극을 개발할 수 있으며, 이를 통해 배터리 사이클 수명과 안전성을 향상시키고 리튬 배터리 기술을 발전시킬 수 있습니다. 전극 유연성을 정확하게 평가하기 위해 아래 IEST 응력-변형 곡선 분석(그림 3) 기반 시험 장비가 개발되었습니다. 이 방법은 전극을 고정하고, 변위를 적용하며, 변형 과정에서 실시간으로 힘과 변위(힘-변위 곡선)를 측정하여 유연성을 정량적으로 분석할 수 있도록 합니다. 이 기술은 전극 구성 및 공정 최적화에 중요한 데이터 기반을 제공하여 고유연성 전극 개발을 촉진합니다.
그림 3. BEF1000
7. Summary
전극 유연성은 배터리 성능과 안전성을 나타내는 핵심 지표입니다. 활물질, 전도성 첨가제, 바인더, 집전체의 선택 및 비율을 시너지 효과를 발휘하여 최적화하고, 첨단 시험 방법을 활용함으로써 전극의 종합적인 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명을 갖춘 차세대 리튬 이온 배터리 개발을 위한 탄탄한 기반을 마련합니다.
[ENG] Binder, Conductive Additive, Active Material, Current Collector - Who Controls the Critical Fa
804KB< Testing Methods, Advantages, and Applications of Dynamic EIS >
1. Introduction
전기화학 임피던스 분광법(EIS) 은 전기화학 계면 문제를 연구하는 데 가장 중요한 기술 중 하나이며, 리튬 이온 배터리 내부의 전기화학적 거동을 연구하는 데 널리 사용됩니다. EIS의 원리는 리튬 배터리를 "블랙박스"로 취급하는 것입니다. 특정 주파수 범위에 걸쳐 특정 진폭을 갖는 정현파(sine wave) AC 신호를 인가하여 주파수 영역에서 해당 전기 신호 응답을 얻습니다. 이후, EIS 스펙트럼 내 다양한 주파수에서 피드백 신호를 분석하여 셀 내부 전기화학적 거동에 이상이 있는지 분석하는 것이 목표입니다.
기존의 정적 EIS 테스트는 1) 인과성 , 2) 선형성 , 3) 안정성이라는 세 가지 전제 조건을 충족해야 합니다 . 따라서 EIS 테스트는 리튬 이온 배터리가 장기간 평형을 이룬 후에만 시작할 수 있습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 배터리 내부에서 발생하는 과도적인 동적 변화를 간과할 위험이 있습니다. 따라서 Dynamic EIS(DEIS) 테스트는 점차 리튬 배터리 엔지니어들의 주요 관심사가 되고 있습니다.
2. Significance of Dynamic EIS Testing
이름에서 알 수 있듯이, Dynamic EIS는 배터리 충방전 중에 EIS 테스트를 수행하는 것을 포함합니다. Dynamic EIS의 주요 중요성은 다음과 같습니다.
2.1 Real-time Monitoring and Capturing Dynamic Processes
Dynamic EIS는 배터리의 순간적인 상태 정보를 실시간으로 반영할 수 있습니다. 예를 들어, 리튬 덴드라이트의 빠른 성장 과정이나 급속 충전 중 빠른 전기화학 반응을 포착할 수 있습니다. EIS 테스트 및 모니터링을 수행하기 전에 장시간 휴지 상태를 유지하면 리튬 도금 거동이 점차 약해지거나 심지어 사라질 수 있습니다. 따라서 Dynamic EIS는 빠른 전기화학 반응 거동을 포착하는 데 있어 독보적인 장점을 가지고 있습니다.
2.2 Analysis of Non-linear and Non-steady-state Processes
실제 배터리 시스템은 종종 비선형 또는 비정상 상태(non-steady-state) 특성을 보입니다. 예를 들어, 실제 사용되는 배터리는 온도 변동이나 부하 변동과 같은 외부변화에 지속적으로 노출되는 비정상 상태 조건에서 작동하는 경우가 많습니다. Dynamic EIS는 이러한 비정상 상태 조건에서의 테스트를 가능하게 하며, 다양한 상태에서 배터리의 임피던스 정보를 수집합니다. 이는 배터리 성능 평가 및 결함 진단에 더욱 포괄적인 데이터 지원을 제공합니다.
2.3 Early Fault Diagnosis and Advantages for Data Modeling
Dynamic EIS는 긴 휴지 기간이 필요 없으므로 잠재적인 배터리 결함을 조기에 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 내부에서 리튬 도금이나 비정상적인 열 폭주가 발생할 경우, Dynamic EIS에서 측정된 중주파(mid-frequency) 임피던스가 비정상적으로 감소하거나 증가하여 사용자에게 적시에 경고 정보를 제공할 수 있습니다. 또한, Dynamic EIS 모드에서 수집되는 데이터의 양은 일반적으로 정적 EIS보다 훨씬 많습니다. 이 데이터는 더욱 정확한 배터리 모델을 구축하는 데 활용될 수 있으며, 배터리 성능 예측, 수명 평가 및 최적화 설계를 위한 더욱 신뢰할 수 있는 데이터 지원을 제공합니다.
3. Innovative Solution from IEST Instrument
IEST의 배터리 임피던스 테스터(BIT6000)는 모든 타사 충방전 장비와 통합할 수 있습니다. BIT6000 를 통해 충방전 과정에서 리튬 이온 배터리의 소프트웨어에서 연속 테스트 모드를 설정하여 중단 없는 DEIS 테스트 및 모니터링을 가능하게 하고, 비정상 상태에서의 배터리 성능 모니터링 및 결함 메커니즘 분석을 용이하게 합니다. 또한, 이 장비의 또 다른 주요 장점은 외부 증폭기 없이도 대용량의 낮은 내부 저항 배터리(예: 전력 배터리 또는 에너지 저장 배터리)에 대한 EIS 테스트를 수행할 수 있다는 것입니다. 이는 대용량 셀의 EIS 테스트라는 현재의 과제를 효과적으로 해결합니다.
Figure 1. Schematic diagram of the Battery Impedance Tester (BIT6000) integrated with an arbitrary third-party charge/discharge device for DEIS testing.
4. Continuous Dynamic EIS Monitoring During Charging
완전히 방전된 40Ah 전력 배터리(LFP//C)로 실험이 진행되었습니다. 0.3C의 정전류(CC) 충전 조건에서 약 70%의 충전 상태(SOC)에 도달할 때까지 충전 중에 DEIS 테스트를 지속적으로 수행했습니다. 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 이러한 테스트 결과는 기존 전기화학 모델을 활용하여 셀이 다양한 SOC 수준으로 충전됨에 따라 Dynamic 매개변수(다른 시간 상수를 갖는 전기화학 과정에 해당하는 저항 및 용량성 리액턴스 포함)의 변화를 파악함으로써 추가 분석할 수 있습니다. 이는 충전 과정에서 발생하는 순간적인 전기화학적 거동을 이해하는 데 도움이 됩니다.
Figure 2. Continuous Dynamic EIS monitoring of an LFP battery under 0.3C constant current charging
그림 3(b)는 Barsoukov et al. 이 제안한 미시 모델을 보여줍니다. 전극 활물질 내 리튬 이온의 삽입 및 탈리 과정에 대한 일반적인 EIS 스펙트럼을 보여줍니다. 기존의 EIS 실험 결과는 일반적으로 서로 다른 시간 상수를 갖는 다섯 가지 전기화학적 과정을 포함하는 것으로 관찰됩니다.
4.1 Ultra-High Frequency Region:
전해질, 다공성 분리막, 그리고 전류 집전체를 통한 리튬 이온 및 전자의 이동과 관련된 저항. 이는 EIS 플롯에서 실수축(Z')과 교차하는 단일 점으로 나타나며, 일반적으로 Rs로 표시됩니다.
4.2 High Frequency Region:
고체 전해질 계면(SEI) 막을 통한 리튬 이온 확산과 관련된 반원. 이 과정은 R~SEI~와 C~SEI~의 병렬 조합(R~SEI~ // C~SEI~)으로 등가 회로로 표현할 수 있습니다.
4.3 Mid-Frequency Region:
전하 이동 과정에 대응하는 반원. 이 과정은 전하 이동 저항( R~ct ~ )과 이중층 정전용량( C~dl ~ )의 병렬 조합으로 등가 회로로 표현할 수 있습니다( R~ct ~ // C~dl ~ ).
4.4 Low Frequency Region:
활물질 입자 내에서 리튬 이온의 고체 확산과 관련이 있습니다. 이는 EIS 플롯에서 45° 기울기를 가진 직선으로 나타납니다. 등가 회로에서 이 과정은 확산을 나타내는 Warburg impedance(Z~W~)로 표현됩니다.
4.5 Very Low Frequency Region (<0.01 Hz):
활물질 입자 결정 구조의 변화 또는 새로운 상 형성과 관련이 있을 수 있는 반원과 활물질 내 리튬 이온 축적/고갈과 관련된 거의 수직인 선으로 구성됩니다. 리튬 배터리는 일반적으로 이처럼 낮은 주파수에서 분석되지 않습니다. 따라서 리튬 배터리 EIS 스펙트럼 분석에 사용되는 일반적인 등가 회로는 그림 4(a)에 나와 있습니다.
그림 4(b)는 등가 회로를 사용하여 연속 DEIS 테스트 결과(그림 2에 표시됨)를 피팅하여 얻은 SOC에 따른 Dynamic R~ct ~의 변화를 보여줍니다. 0%~70% SOC 범위 내에서 Dynamic R~ct ~가 먼저 급격히 감소(0%-30% SOC)한 다음 더 느리게 감소(30%-70% SOC)하는 것을 관찰할 수 있습니다. LFP 배터리의 경우 충전/방전 전압 평탄도가 비교적 평탄하기 때문에 실제 응용 분야에서 개방 회로 전압(OCV) 곡선을 사용하여 SOC를 추정하면 다른 셀 화학에 비해 오류가 상당히 큰 것으로 알려져 있습니다[3]. 그러나 DEIS 분석은 Dynamic R~ct ~의 변화가 SOC와 강한 상관 관계를 보인다는 것을 보여줍니다. 따라서 LFP 배터리의 SOC를 추정하는 데 중요한 매개변수로 사용할 수 있습니다.
Figure 3. (a) Micro-model for Li-ion intercalation/deintercalation in electrode active materials proposed by Barsoukov et al.; (b) Typical EIS spectrum for Li-ion deintercalation/intercalation in electrode active materials.
Figure 4. (a) Common equivalent circuit model for lithium batteries; (b) Variation curve of dynamic R~ct~ with SOC derived from continuous DEIS testing of a 40Ah LFP power battery.
5. Summary
IEST 배터리 임피던스 테스터 (그림 5의 BIT6000) 는 타사 충방전 장비와 함께 사용하여 대용량, 저내부 저항 배터리에 대한 연속 Dynamic EIS 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 테스터는 충방전 과정에서 발생하는 과도 전기화학적 거동을 효과적으로 포착하여 리튬 이온 배터리의 비정상 상태 반응 속도론 연구를 용이하게 합니다. 또한, 40Ah LFP 전력 배터리에 대한 연속 Dynamic EIS 테스트 결과 Dynamic R~ct ~와 SOC 사이에 강력한 상관관계가 확인되어 LFP 셀의 SOC를 추정하는 중요한 매개변수로서의 가능성을 시사했습니다 .
Figure 5. Appearance of the Battery Impedance Tester (BIT6000)
6. References
[1] E. Barsokov, D.H. kim, H.-S. Lee, H. Lee, M. Yakovleva, Y. Gao and J.F. Engel, Comparison of kinetic properties of LiCoO2 and LiTi0.05Mg0.05Ni0.7Co0.2O2 by impedance spectroscopy. Solid State Ionics 161 (2003) 19-29.
[2] E. Barsoukov and J.R. Macdonald. Impedance spectroscopy theory, experiment, and applications. Second Edition. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2005.
[3] P.P. Xu, J.Q. Li, Q. Xue and F.C. Sun. A syncretic state-of-charge estimator for LiFePO4 batteries leveraging expansion force. J Energy Storage 50 (2022) 104559.
[ENG] Testing Methods, Advantages, and Applications of Dynamic EIS.docx
673KB기계적 & 화학적으로 견고한 Ni-Rich 양극은 초고용량 및 연장된 사이클 수명을 가능하게 합니다.
1. 기사 정보
Title: Mechanically and Chemically Co-Robust Ni-Rich Cathodes with Ultrahigh Capacity and Prolonged Cycle Life
First Authors: Bo Wang, Kuo Li, Ge Xu, Zihan Zhang
Corresponding Authors: Prof. Jianyu Huang, Prof. Yongfu Tang, Prof. Hui Yang
Used Equipment: IEST Single Particle Force Properties Test System(SPFT2000)
Affiliations:
• College of Environmental and Chemical Engineering, Yanshan University
• College of Materials Science and Engineering, Yanshan University
• School of Aeronautics and Astronautics, Huazhong University of Science and Technology
Original DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202502725
1. Overview
니켈-풍부 니오븀 도핑 적층 산화물(Nb⁵⁺ doping on Ni-rich layered oxide cathode : NRLOs)은 리튬 이온 배터리용 고에너지 밀도 양극재로 유망하지만, 사이클 중 기계적 화학적 열화로 인한 용량 감소 및 계면 불안정성 문제가 있습니다. 도핑 방식으로 이러한 문제를 개선할 수 있지만, 근본적인 메커니즘은 아직 불분명합니다. 본 연구에서는 니오븀(Nb⁵⁺)의 도핑을 통해 LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂(NCM811) 에서의 기계 화학적 안정화를 연구합니다.
주요 연구 사항은 다음과 같습니다.
0.5 wt.% Nb 도핑된 NCM811은 0.1C에서 233.8mAh/g의 용량을 제공하며, 500 사이클(1C) 후 80.5%의 용량 유지율을 보입니다. 이는 도핑되지 않은 NCM811(199.2mAh/g, 68% 용량 유지율) 보다 우수한 성능입니다.
2. Introduction of Grain-Refinement and Mechanical Performance
낮은 함량의 Nb 도핑(0.5 wt.% Nb)이 진행되었습니다. 표면 코팅 아티팩트를 방지하기 위해 중량% Nb)를 사용했습니다. XRD 패턴의 리트벨트 미세화(Rietveld refinement) 분석 결과, NCM811과 NCM811-0.5Nb 모두 α ‑NaFeO₂ 형 육방정계(R-3m) 구조를 가지며, Nb 도핑은 격자 상수와 단위 셀 부피를 약간 확장시키는 것으로 확인되었습니다. NCM811-0.5Nb의 Li⁺/Ni²⁺ 혼합비는 4.1%(NCM811)에서 1.7%로 감소했습니다. FIB-SEM 분석 결과, Nb 도핑은 입자 크기를 현저히 미세화하고, 패킹 밀도를 증가시키며, 내부 공극을 제거하여 "미세 ‑입자 강화" 효과를 나타냄을 보여줍니다. 수차 보정 STEM 이미징은 용융된 결정립계와 저각 경계 형성을 보여주며, 이는 기계적 견고성을 크게 향상시킵니다. IEST 단일 입자 힘 특성 시험 시스템(SPFT) 은 5.1 µm 입자에서 NCM811-0.5Nb 의 파괴 응력은 도핑되지 않은 NCM811의 파괴 응력보다 커 기계적 강화에 있어서 Nb의 중요한 역할을 강조합니다.
3. Electrochemical Performance and Li⁺ Diffusion Enhancement
2.8~4.3 V 윈도우에서, NCM811‑0.5Nb는 233.8mAh g⁻¹(at 0.1 C)의 초고방전 용량을 제공합니다. 원래 NCM811의 경우 199.2mAh g⁻¹ 입니다. dQ/dV 스펙트럼은 H1 → M → H2 → H3 전이에 해당하는 세 개의 산화환원쌍을 보여줍니다. NCM811-0.5Nb의 향상된 용량은 주로 H1 – M – H2 영역에서 발생합니다. Nb 도핑은 H1 → M의 피크 세기를 낮추고 H2 → H3를 더 낮은 전위로 이동시켜 상전이 속도론의 가속 및 단사정계 상 안정성 향상을 나타냅니다. 1 C에서 500 사이클 후 용량 유지율은 80.5%입니다. NCM811의 경우 68.0% 입니다. GITT 측정 결과 Li⁺의 확산 계수 (D_Li⁺) 가 1.0×10⁻⁸ cm² s⁻¹ 에서 3.0×10⁻⁸ cm²s⁻¹ 로 증가하는 것으로 나타났습니다. DFT 계산은 Nb가 층간 간격을 확장시켜 팔면체-팔면체 직접 홉(ODH)과 사면체 부위 매개 홉(TSH) 모두에서 정전기 장벽을 감소시킨다는 것을 추가로 보여줍니다. PDOS 분석 결과, 더 강한 Ni 3d–O 2p 하이브리디제이션(hybridization)과 함께 t₂g 대역폭(bandwidth)이 넓어지고 페르미 레벨 근처의 상태가 증가하여 Ni 산화 동안 전하 이동이 용이해집니다.
Figure 2. Rate capability and cycle stability of NCM811 vs. NCM811-0.5Nb, plus DFT-derived Li⁺ migration pathways and PDOS.
4. Suppression of Fatigue-Induced Phase Changes
In-situ XRD는 반복적인 H2-H3 사이클링이 순수한 NCM811에서 격자 피로를 유발하는 반면, Nb 도핑은 이러한 저하를 크게 완화하여 사이클링 전체에 걸쳐 위상 일관성을 유지한다는 것을 보여줍니다.
Figure 3. In-situ XRD monitoring of phase evolution under galvanostatic cycling.
5. Microcrack Formation and Stabilization Mechanisms in Ni-Rich Cathodes
본 연구는 장시간 사이클 동안 Ni 함량이 높은 양극재에서 미세균열 확산이 주요 열화 모드로 나타남을 확인했습니다. 500 사이클 후 단면 SEM 이미지 분석 결과, Nb 도핑된 NCM811-0.5Nb에 비해 NCM811에서 훨씬 더 많은 균열이 관찰되었습니다.
- Microstructural Evolution Analysis (HAADF-STEM)
- Stabilization Mechanisms Enabled by Nb⁵⁺ Doping
1. 입자 미세화 강화:
2. 격자 산소 안정성(EELS 분석):
3. 스피넬 트윈 경계 형성:
사이클 후 관찰 결과, 층상 구조의 입자 사이에 스피넬 트윈 경계의 에피택셜 성장이(epitaxial growth of spinel twin boundaries )이 나타났습니다.
이러한 경계는 인접한 다층 도메인에 에피택시얼 결합된 스피넬 상으로 구성되며, Nb에 의한 결정립 미세화와 조절된 계면 응력에서 비롯됩니다.
이들은 H2↔H3 상 전이 동안 완전한 무질서를 제한하고 갑작스러운 내부 변형을 완화하여 장기 순환성을 크게 향상시킵니다.
Figure 4. Morphological and structural evolution after cycling.
탈리튬화 과정에서 NCM811 및 NCM811-0.5Nb 이차 입자의 응력 및 손상 변화를 더욱 자세히 조사하기 위해 ABAQUS에서 화학-기계적 시뮬레이션을 수행했습니다. 그림 5는 1차 입자 내부의 층간 채널과 결정립계(GBs)를 통해 이차 입자의 중심부에서 표면으로 리튬 이온이 추출되는 과정을 보여 줍니다.
Simulation Methodology:
Key Findings:
탈 리튬화 과정에서 이질적인(heterogeneous) Li ⁺ 농도 분포가 생성되었습니다.
이러한 불균일성은 GB에서 심각한 불일치 응력을 유발하여 입자 간 손상과 균열 발생을 촉발했습니다.
균열이 GB를 따라 확산되면서 응력 완화가 발생했습니다.
Nb 도핑은 결정립 방향의 차이를 줄여 더 균일한 Li⁺ 농도 프로필을 생성합니다.
농도 균일성이 향상되어 GB 불일치 스트레스가 완화되고 입자 분해가 완화되었습니다.
Figure 6. Schematic of failure mechanism in NCM811 and Nb-doped improvement strategy.
6. Summary and Outlook
니켈-풍부 니오븀 도핑 적층 산화물(NRLOs)에 대한 Nb ⁵⁺ 도핑의 기계적 & 화학적 결합 효과가 규명되었습니다. 기계적으로, Nb 도핑은 1차 결정립을 미세화하고 결정립계를 융합시켜 H₂ - H⁺ 상전이 동안 내부 응력을 효과적으로 완화하고 사이클 전체에 걸쳐 미세균열 발생을 방지합니다. 이러한 관찰 결과는 ABAQUS의 화학기계적 결합 시뮬레이션을 통해 뒷받침됩니다. 화학적으로, Nb 첨가는 Nb ‑ O 결합을 강화하고 층간 간격을 확장하여 전이금속((transition-metal) 층에서 Li 층으로의 전이금속 이동을 억제하고, 합성 및 전기화학적 사이클 동안 Li/Ni 반사이트(antisite) 결함 형성을 감소시킵니다. 기본 원리 계산 결과, Nb 도핑이 층상 격자 내 Li⁺ 이동 에너지 장벽을 낮춰 Li⁺ 확산도를 향상시킴을 확인 했습니다. 사이클 후 미세 구조 분석 결과, 스피넬 유형의 쌍정 경계가 형성되어 Li ⁺ 전달이 더욱 용이해지고, 추가적인 균열 전파와 입자 분쇄가 억제되는 것으로 나타났습니다.
간단한 Nb 도핑 전략은 차세대 전기차 배터리의 성능 요건을 저해하지 않으면서도 고용량, 급속 충전 기능, 긴 사이클 수명 및 안전성 유지를 달성합니다. 그럼에도 불구하고 NRLOs의 장기 사이클 안정성은 여전히 과제로 남아 있습니다. 향후 연구는 비용량을 더욱 증가시키고, 화학기계적 관점에서 NRLOs의 구조적 견고성을 향상시키기 위해 결정립 크기, 결정립 방향 및 격자 화학을 제어하는 전략을 설계하고 구현하는 데 집중할 것입니다. 이러한 접근법을 대량 생산으로 확장하는 데는 상당한 어려움이 따르지만, 본 연구는 고에너지 밀도 저장 응용 분야를 위한 고성능 적층형 산화물 양극재 개발에 중요한 과학적 지침을 제공합니다.
7. Testing Instruments Recommendation
IEST Single Particle Force Properties Test System(SPFT2000)
Application:
• Testing the crushing strength of battery material particles
• Can be used to evaluate the pressure resistance of the material
• Guide the rolling process
• Materials with high mechanical strength will have better subsequent cycle stability.
8. References
Mechanically and Chemically Co-Robust Ni-Rich Cathodes with Ultrahigh Capacity and Prolonged Cycle Life
[ENG] Mechanically_and_Chemically_Co-Robust_Ni-Rich_Cathodes_Enable_Ultrahigh_Capacity_and_Prolonged
824KB< Rate-Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO4 Cathode via Functional Interface Engineering >
1. Article 정보
Title: Rate-Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO4 Cathode via Functional Interface Engineering
First Author: Rui Tang
Corresponding Authors: Jinyang Dong*, Yuefeng Su*, Lai Chen*
Affiliations: Beijing Institute of Technology; Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center; China Electric Power Research Institute; State Grid Henan Electric Power Research InstituteInstrument: IEST Powder Resistivity & Compaction Density Measurement System (PRCD3100)
2. 연구 배경
경제적 지속 가능한 발전과 에너지 구조의 전환으로 인해 고성능 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가했으며, LiFePO₄는 뛰어난 열 안정성과 낮은 비용으로 인해 주목을 받고 있습니다. 그러나 LiFePO₄ 재료는 전자 전도도가 낮고 리튬 이온 확산 계수가 낮아 고속 조건(high-cycling-rate)에서 LiFePO₄ 배터리의 활용이 제한됩니다. Coating, doping, morphology 제어 등의 공정을 통해 재료의 운동 특성(kinetic properties)과 안정성을 개선하려는 많은 연구가 있었지만, 운동 특성과 안정성 사이의 본질적인 관계는 아직 완전히 연구되지 않았습니다. 충방전 속도는 사용자의 배터리 전력 수요와 직접적으로 관련이 있으므로, 저속 및 고속 사이클 과정에 따라 재료의 파괴 거동(failure behavior)의 차이를 이해하는 것은 고속 충방전 환경에서 LiFePO₄ 의 application 확장에 매우 중요합니다.
LiFePO₄ 배터리의 분해(degradation) 원인은 주로 활성 리튬의 비가역적 손실과 관련이 있습니다. 즉, 충전 과정 중에 방출된 리튬이 방전 과정에서 격자(lattice)에 완전히 다시 삽입되지 않아 용량이 감소하는 것입니다. 사이클 속도가 높을수록 응력(stress)과 변형률(strain)이 증가하고 임피던스도 증가하므로 돌이킬 수 없는 상(phase) 전이가 발생할 가능성이 더 큽니다. 또한 LiFePO₄ 은 본질적으로 반응 속도가 느리기 때문에 리튬 삽입 및 추출(extraction/insertion)이 고르지 못하며, 이로 인해 고속 조건에서 구조적 분해가 심화됩니다. 사이클 속도가 낮을수록 분극 효과는 감소하고 리튬화/탈리튬화(lithiation/delithiation)가 더 안정적이지만, 반응 시간이 길어지면서 부산물이 더 많이 축적되고 리튬 소모가 커져 사이클 수명에 영향을 미칩니다. 이러한 연구 결과는 파괴 메커니즘이 사이클 속도에 따라 크게 다르다는 점과 메커니즘마다 목표에 맞는 개선 전략을 개발해야 한다는 점을 보여줍니다.
3. 연구 개요
최근, 베이징 공업 대학(Beijing Institute of Technology)의 연구원들이 기능적 계면 공학 설계를 통해 LiFePO₄ 의 속도 의존 파괴 거동(rate‐dependent failure behavior) 특성을 성공적으로 제어했습니다. 더 빠른 충방전 속도에서, 기능성 인터페이스 층은 질소 와 리튬 사이의 친화도(affinity)를 활용하여 리튬 이온의 이동을 촉진하고 내부 분극을 줄이며, 기계적 응력을 완화시켜 구조적 분해( degradation)가 억제되었습니다. 낮은 속도에서는 기능성 계면 층은 안정적인 양극-전해질 계면(CEI) 형성에 기여하기 때문에 효과적으로 부반응을 억제하고 활성 리튬의 손실을 최소화 합니다. 연구진은 실험과 이론적 계산을 통해 충방전 속도에 따른 파괴 거동 조절의 핵심 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이는 빠른 충방전 및 장기간 안정적인 사이클을 필요로 하는 첨단 에너지 저장 시스템에서 LiFePO4 재료의 응용을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다. 관련 연구는 " Rate-Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO4 Cathode via Functional Interface Engineering" 이라는 제목으로 최고 국제 저널인 Advanced Functional Materials에 게재되었습니다.
그림 2. 사이클 속도(C-rate)에 따른 구조적 파괴 매커니즘
4. Key Points of the Article
4.1 Verification of Rate‐Dependent Failure Behavior Regulation via Functional Interface Engineering
그림 2. 사이클링 후 구조 및 표면 구성 분석
사이클링 후 샘플에 HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy) 와 TOFSIMS(Time-of-flight secondary ion mass spectrometry) 테스트를 수행하여 구조 및 표면 구성의 변화를 분석했습니다. HRTEM 결과 PLFP 샘플에서는 FePO₄ 과 LiFePO₄ 의 두 가지 상이 나타나는 반면, LFP@2NC 샘플에서는 단일 LiFePO₄ 상 만이 존재하여 PLFP 샘플에서 비가역적인 상 변화가 나타났음을 알 수 있습니다. GPA(geometrical phase analysis) 분석을 통해 PLFP의 두 가지 상 계면이 더 큰 인장응력(tensile stress)을 나타내는 것을 알 수 있는데, 이것이 비가역적 상변화의 근본 원인일 수 있습니다. TOFSIMS는 샘플 표면 구성의 차이를 반영하며, LFP@2NC 샘플 표면에 부반응 생성물의 축적이 더 적다는 것을 알 수 있습니다. 따라서, 기능성 인터페이스 층은 응력과 변형을 감소시키고 부반응 생성물의 침전을 억제함으로써 LiFePO₄의 속도 의존 파괴 거동을 동시에 조절할 수 있습니다.
4.2 Impact of Functional Interface Engineering on Initial Charge/Discharge Behavior
그림 3. 충방전의 첫 번째 사이클 동안 표면 구성 및 구조의 변화
기능적 인터페이스의 공학적 변형(functional interface engineering modification) 메커니즘에 대한 연구가 수행되었습니다. 충방전 초기 1주일 동안의 계면 변형 영향을 자세히 연구하기 위해 PLFP 과 LFP@2NC 샘플에 대한 Non-in-situ XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 실험, in-situ EIS 실험, DRT(Distribution of relaxation times)분석 및 전기화학적 in-situ XRD(X-ray diffraction) 실험이 수행되었습니다. Non-in-situ XPS에서 LFP@2NC 샘플은 1주차에 LiF 신호 피크가 없는 반면, PLFP 샘플의 LiF 신호는 충전이 끝날 때 나타났다가 방전이 끝날 때 사라지는 것을 알 수 있습니다. 이는 활성 리튬이 반복적으로 소모되고 표면 부산물이 축적되는 경향이 있었음을 나타냅니다. In-situ EIS와 전기화학적 in-situ XRD는 모두 인터페이스가 변형된 물질이 동일한 충방전 조건에서 더 나은 사이클 가역성을 나타내는 것을 보여주며, 이는 운동 특성이 향상되었음을 나타냅니다.
4.3 Theoretical Calculations and Simulations on the Regulation Mechanism
그림 4. 이론적 계산 및 시뮬레이션 결과
기능적 인터페이스의 공학적 변형이 속도의존 파괴 거동에 미치는 영향을 더욱 잘 이해하기 위해 이론적 계산과 시뮬레이션이 수행되었습니다. 차등 전하 밀도(Differential charge density)는 계면층에서 Fe와 N 사이에 전하 교환이 일어나고 있음을 보여주는데, 이는 Fe-O 결합의 강도를 향상시켜 고속 사이클링에서 LiFePO₄ 에 더 강한 구조적 안정성에 기여합니다. 흡착(Adsorption) 에너지 계산은 또한 N-Li 간의 친화도를 입증하는데, 이는 리튬 이온의 향상된 이동성의 기반을 마련합니다. 또한 시뮬레이션을 통해 충방전 중 기능적 인터페이스 엔지니어링의 응력 해소(stress-relieving) 효과가 입증되었습니다. 더 강한 리튬 이온 이동 능력, 더 안정적인 구조, 응력 축적 감소는 기능적 인터페이스가LiFePO₄ 의 속도의존 파괴 거동을 조절할 수 있는 능력을 제공합니다.
5. Conclusions
이 연구는 기능적 인터페이스 엔지니어링을 통해 리튬 철인산의 속도 의존 파괴 거동을 효과적으로 조절했습니다. 고속 사이클링에서는 LiFePO₄ 의 파괴 거동은 주로 응력 축적으로 인한 구조적 분해로 인해 발생하고, 저속 사이클링에서는 LiFePO₄ 의 파괴 거동은 주로 부반응 생성물의 축적과 활성 리튬의 소모로 인해 발생합니다. 질소 기반 계면층은 고속 사이클 조건에서 리튬 이온 이동 동역학을 향상시키고, 응력을 줄이며 구조적 분해를 방지하고, CEI 형성에 참여하고, 저속 사이클 조건에서 부반응 생성물의 축적과 활발한 리튬 소모를 억제하여 다양한 속도에서 파괴 거동을 조절하도록 설계되었습니다. 버튼형 반전지(both button-type half-cells)와 Ah급 소프트팩 전지(soft-pack full cells) 모두에서 기능적 인터페이스 엔지니어링 변형이 성공적으로 검증되어 LiFePO₄ 의 파괴 동작을 효과적으로 조절하고 고전력 에너지 저장 애플리케이션에 대한 잠재적 솔루션을 제공합니다.
6. 실험 장비: IEST Powder Resistivity & Compaction Density Tester
(PRCD3100)
소개: PRCD3100은 고정밀 압력 제어, 두께 및 저항 테스트 시스템으로 4-probe 및 2-probe 방식 중 선택할 수 있습니다. 재료 연구 및 개발과 분말 재료의 배치 안정성 모니터링을 위해 분말의 비저항 및 압축 밀도를 정확하게 테스트합니다.
7. Reference
Rui Tang, Jinyang Dong*, Chengzhi Wang, Yibiao Guan, Aining Yin, Kang Yan, Yun Lu, Ning Li, Guangjin Zhao, Bowen Li, Wenjun Shen, Feng Wu, Yuefeng Su*, and Lai Chen*. Rate‐Dependent Failure Behavior Regulation of LiFePO₄ Cathode via Functional Interface Engineering. Advanced Functional Materials, 2025: 2421284. https://doi.org/10.1002/adfm.202421284
[Powder Resistivity & Compaction Density Case] 기능적 인터페이스 공학을 통한 LiFePO4 Cathode 의 Rate-Dependent Fai
832KBIEST 사의 Application 자료를 공유드립니다,
주제는 Electrode Characterization Case 로, 리튬 이온 배터리의 고속 충전을 위한 전극의 굴곡도(tortuosity) 개선을 연구한
자료 입니다.
전극의 굴곡도 측정을 위한 시스템인 IEST의 EIC (Electrode Tortuosity Tester & Separator Ion Conductivity Tester) 시리즈 장비의 application 과 사양을 소개하는 내용이 포함되어 있습니다.
자세한 내용은 첨부파일에서 확인 가능합니다.
[Electrode Characterization Case] Megawatt Flash 충전을 위한 전극 Tortuosity 의 중요성.pdf
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