리튬 이온 전지·차세대 전지에 관한 최신 관찰과 해석

리튬 이온 전지의 기본 구조

리튬 이온 전지의 기본 구조 대표 예를 아래 그림에서 설명하고 각 부분과 그 역할에 대해 설명합니다.

리튬 이온 전지 형상(형태)의 종류

리튬 이온 전지의 셀 내부 구조는 앞에서 설명한 바 있지만, 케이스의 형상 및 패키지 형태, 그 재질은 종류가 매우 다양합니다. 그 중에서도 대표적인 리튬 이온 전지의 형상(형태) 3종류를 그림으로 소개합니다.

원통형

원통형 리튬 이온 전지는 가장 비용이 저렴하고 용량 밀도가 높다고 합니다. 단, 케이스 내부에서 여러 셀을 조합하는 타입의 경우, 셀 사이에 틈새가 생기기 때문에 밀도가 낮아집니다.

각형

각형 리튬 이온 전지에는 알루미늄제 케이스가 많이 채택됩니다. 소재가 철인지 알루미늄인지에 따라 각형 전지의 극성이 달라집니다. 철제 케이스는 헤더 부분이 양극, 알루미늄제 케이스 부분은 음극이 됩니다.

라미네이트형(리튬 폴리머 전지)

라미네이트형은 리튬 폴리머 전지라고도 불립니다. 필름으로 라미네이트 처리한 셀을 이용함으로써 두께를 줄일 수 있어 스마트폰·태블릿 등 슬림화가 요구되는 기기에 이용됩니다.
일반적으로 전해액은 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)·폴리프로필렌 옥사이드(PPO)·불화 폴리비닐리덴(PVdF) 등의 폴리머를 첨가하여 겔로 만든 것입니다.

리튬 이온 전지의 양극재·음극재 종류와 특징

리튬 이온 전지에 이용하는 양극재 및 음극재에 따라 특징 및 용도는 물론 비용도 달라집니다. 그 대표적인 종류와 특징에 대해 설명합니다.

코발트계
양극재: 리튬코발트산화물 LiCoO2 / 음극재: 흑연 LiC6

가장 많이 보급된 리튬 이온 전지이며 모바일 기기를 중심으로 폭넓게 사용되고 있습니다. 코발트의 값이 비싸고 열 폭주의 위험도 있기 때문에 차량 탑재용으로는 안전성의 문제가 있다고 합니다.

니켈계
양극재: 니켈산리튬 LiNiO2 / 음극재: 흑연 LiC6

니켈계 리튬 이온 전지는 가장 용량이 큽니다. 기존에는 안전성의 과제가 있었습니다. 그러나 니켈의 일부를 코발트로 치환하고 알루미늄을 첨가한 「NCA계」는 안전성이 향상되어 플러그인 하이브리드 자동차용으로도 유통되고 있습니다.

망간계
양극재: 리튬망간산화물 LiMn2O4 / 음극재: 흑연 LiC6

망간계 리튬 이온 전지(LMO계)는 망간이 저가(코발트의 약 1/10)라는 점, 그리고 강고한 결정 구조로 열 안정성이 뛰어나 안전성이 높다는 점에서 차량 탑재용 전지의 주류로 자리잡았습니다.

인산철계
양극재: 리튬인산철산화물 LiFePO4 / 음극재: 흑연 LiC6

인산철계 리튬 이온 전지는 전지 내부에서 발열이 일어나도 결정 구조가 잘 부서지지 않고 높은 안전성을 유지합니다. 또한, 철이 원료인 망간계보다 더 저렴한 비용으로 제조할 수 있다는 점도 이점입니다. 한편, 에너지 밀도가 낮다는 점은 단점입니다.

삼원계
양극재: 니켈과 망간으로 리튬코발트산화물의 일부를 치환 Li(Ni-Co-Mn)O2 / 음극재: 흑연 LiC6

삼원계 리튬 이온 전지는 「NCM계」라고도 하며, 코발트·니켈·망간 등 3종류의 원료를 사용하여 안전성을 높입니다. NCA계와 마찬가지로 플러그인 하이브리드 자동차에 채택되고 있습니다.

티탄산계
양극재: 리튬망간산화물 LiMn2O4 / 음극재: 리튬티탄산화물 Li4Ti5O12

티탄산계 리튬 이온 전지는 음극으로 흑연을 사용하는 기존형 리튬 이온 2차 전지에 비해 약 6배의 긴 수명과 급속 충전을 실현합니다. 단, 에너지 밀도가 낮다는 점이 결점으로 꼽힙니다.

보급·실용화가 기대되는 차세대 전지

EV(전기 자동차) 등 용도의 확대에 따라 더 큰 용량과 높은 안전성을 실현하는 차세대 2차 전지. 그 연구 개발은 향후 비즈니스의 명암을 가르는 과제로서 규모를 불문하고 많은 기업이 활발하게 대응하고 있습니다. 그 중에서도 대표적인 차세대 전지를 소개합니다.

리튬 공기 전지

이론 용량 밀도는 1만 Wh/kg을 초과할 가능성이 지적되고 있으며, 실제 시험에서도 약 600 Wh/kg의 달성이 확인되었습니다. 금속 리튬을 음극으로 이용하는데 그것이 쉽게 석출되기 때문에 공기 중의 수분과 반응했을 때의 안전성 및 특성의 악화가 과제라고 합니다.

전고체 배터리

리튬 이온 전지와 같은 전해액은 없고 고체 전해질을 세퍼레이터로 이용합니다. 형상의 자유도가 높고 누수의 우려가 없다는 점이 이점입니다. 이론 용량 밀도는 2000 Wh/kg 이상이라고 합니다. 이것은 이론상의 값이며 현 단계에서는 500 Wh/kg 이상을 목표로 실용화를 위한 연구 개발이 진행 중입니다. 충전 및 방전이 빠르고 그 사이클을 반복해도 품질이 잘 떨어지지 않는다는 이점도 있습니다.
고체의 전해질에는 유황계와 산소계가 있습니다. 다만, 유황계는 더 뛰어난 특성을 지닌 한편, 발화나 침수 시 유화 수소가 발생할 위험성이 있습니다. 전자 기기에 탑재할 수 있는 소형 제품부터 생산이 시작되었습니다.

차세대 리튬 이온 전지

음극재로 실리콘 및 그래핀을 채택하여 기존의 제조 공정을 활용하면서 용량을 증대시키는 것을 목적으로 연구 개발이 실시되고 있습니다. 전해액의 변경에 따른 충전 및 방전의 고속화도 주목되는 연구 항목입니다.

리튬 유황 전지

전고체 전지보다 높은 이론 용량 밀도 2500 Wh/kg로, 코발트 등 고가의 재료를 사용하지 않기 때문에 저비용·대용량이 기대됩니다. 한편, 도전성 및 안정성이 낮다는 점, 충전 및 방전 사이클에 따른 특성 악화가 과제로 손꼽힙니다.

나트륨 이온 전지

용량 밀도는 현재의 리튬 이온 전지와 동등하거나 조금 낮지만, 희유 금속이 필요 없고 기존의 제조 설비를 응용할 수 있기 대문에 저비용으로 제조할 수 있다는 점이 이점입니다. 석출 시의 반응성이 높다는 점 등 안전성에 대한 과제나 충전 및 방전에 따른 특성 악화는 기존의 리튬 이온 전지와 같습니다.

기존 현미경을 이용한 리튬 이온 전지 등 2차 전지의 관찰·해상상의 과제

각사가 성능과 안전성이 더 높은 리튬 이온 전지를 만들기 위해 연구 개발을 진행하고 있습니다. 빠른 제품 사이클에 대해 품질 보증 및 품질 관리가 따릅니다. 또한, 차세대 전지의 연구 개발과 특허 출원에서도 많은 기업과 연구자가 뛰어난 기술을 조금이라도 일찍 실현하기 위해 매일 경쟁하고 있습니다.
따라서 2차 전지의 연구 개발 및 개량에 관한 시험, 품질 보증 등 모든 면에서 관찰·해석, 정량적인 평가는 물론 그 속도도 중요한 성공의 관건이라고 할 수 있습니다.
한편, 기존의 현미경을 사용한 관찰·해석에서는 아래와 같은 과제가 있었습니다.

• 샘플이 입체적이거나 미세한 흠집은 콘트라스트가 낮기 때문에 초점 조정 및 조명 조건 추출이 어렵고, 사용자에 따라 초점을 맞추는 위치가 달라 평가에 편차가 나타납니다.
• 광택이 다른 소재가 혼재된 부분의 관찰에서는 헐레이션이 발생하는 경우가 있습니다. 적절한 조명 설정에 따른 관찰이 어렵기 때문에 해석 오류가 발생하기 쉽습니다.
• 샘플의 위치 조정 및 앵글의 변경에 시간과 공정 수가 많이 필요합니다.
• 공업 규격에 의거한 오염 카운트 및 이물질의 상세 관찰을 실시하려면 설정이 번잡하여 많은 공정 수와 시간이 필요합니다. 또한, 정확한 해석 결과와 정량적인 값을 얻으려면 높은 숙련도가 요구됩니다.
• 측정값 및 카운트를 수치 데이터로 저장할 수 없기 때문에 해석 및 평가, 리포트 작성 등 이후 작업에 많은 공정 수와 시간이 필요했습니다.

다음 항에서는 최신 4K 디지털 마이크로스코프를 이용하여 이들 과제를 해결하고 간단한 조작으로 신속하면서도 정확한 관찰·해석을 실현한 사례를 소개합니다.

이물질의 카운트(ISO 규격에 의거한 오염 해석)

「VHX 시리즈」는 자동차 업계용 청정도 규격 ISO16232/VDA19에 의거한 오염 측정을 실시할 수 있습니다. 고기능 내장 조명을 이용한 고해상도의 피사계 심도가 깊은 화상을 이용한 정확한 자동 면적 계측·카운트 기능을 탑재했습니다. 요철이 있는 대상 물체에서도 간단하게 오염(이물질)을 고정도로 카운트·측정할 수 있습니다.
또한, 「상세 해석 모드」에서는 멤브레인 필터 전체의 화상에서 임의의 오염을 선택하기만 하면 자동으로 스테이지를 이동시켜 그대로 고배율의 상세 관찰을 실시할 수 있습니다. 이로써 기존 현미경에 비해 이물질 동정이 간단하게 짧은 시간 내에 완결됩니다. 또한, 심도 합성 및 3D 높이 측정을 병용하여 대상 물체가 요철 형상이라 하더라도 상세 관찰 및 3D 치수 측정의 수치화가 가능합니다.

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세퍼레이터의 흠집 관찰

「VHX 시리즈」의 하이 레졸루션(HD) 헤드는 렌즈를 자동으로 전환하면서 20~6000배를 렌즈 교체 작업 없이 끊김 없이 확대할 수 있습니다. 또한, 내장 조명(전동 조리개)을 탑재하여 명시야·암시야·편광·미분 간섭(DIC) 등 다채로운 관찰 방법을 커버합니다. 각종 대상 물체의 관찰에 자동으로 대응할 수 있습니다.
예를 들면, 기존에는 관찰이 어려웠던 세퍼레이터 표면의 미세한 흠집도 미분 간섭을 이용한 4K 고해상도 화상으로 간단하고 신속하게 가시화됩니다.

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음극재 박리 관찰

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 피사계 심도가 깊기 때문에 관찰 부분 전체에 초점이 맞는 선명한 4K 고해상도 화상으로 관찰할 수 있습니다.
또한, 내장 조명 유닛으로 다양한 촬상 조건에 대응할 수 있어 광택이 다른 소재가 혼재된 경우에도 선명하게 관찰할 수 있습니다.

그 밖에 「멀티 라이팅 기능」을 사용하면 버튼을 누르기만 하는 조작으로 전방위 조명을 이용한 촬상 데이터를 자동 취득합니다. 그 중에서 관찰에 최적인 화상을 선택하면 쉽게 관찰 화상을 얻을 수 있습니다. 선택한 화상 외에도 저장이 되기 때문에 다른 조명 조건의 화상으로도 관찰할 수 있습니다. 과거의 관찰 화상과 동일한 조건을 완전하게 재현하여 다른 개체를 관찰할 수도 있으므로 사용자에 따른 관찰·평가의 편차를 억제할 수 있습니다.

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전지 케이스 용접부의 관찰

각형 케이스의 덮개(리드·커버) 밀봉 등에서 용접의 품질은 리튬 이온 전지의 안전성 확보를 위해 매우 중요합니다.

「VHX 시리즈」는 미세 형상이 잘 보이게 하는 완전히 새로운 관찰 방법인 「Optical Shadow Effect Mode」를 실현했습니다. 여러 방향의 조명으로 촬영한 화상의 변위(콘트라스트)를 해석하여 표면의 미세한 요철을 검출하고 SEM(주사 전자 현미경)과 유사한 관찰 화상을 취득할 수 있습니다.
이 Optical Shadow Effect Mode 화상에 컬러 정보를 겹쳐 요철 정보와 컬러 정보를 동시에 표현하거나, 요철 정보의 색 구분(컬러 맵) 표시로 요철 정보를 더 알기 쉽게 가시화할 수도 있습니다.

또한, 관찰 후에도 저장된 화상에서 요철 형상을 3D로 측정하거나 임의 부분을 프로파일로 측정할 수도 있습니다. 따라서 이후에 더 자세한 분석이 필요한 경우에도 다시 동일 샘플을 세팅하여 동일 부분 및 관찰 조건을 재현하는 데 시간을 할애할 필요가 없습니다.
또한, PC처럼 「VHX 시리즈」에 스프레드 시트 소프트웨어를 직접 인스톨할 수 있습니다. 취득한 관찰 화상 및 측정값을 정형 양식에 자동으로 보낼 수 있기 때문에 리포트 작성 공정 수가 크게 줄어듭니다.

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