[DIC]리튬 이온 배터리 분리막 파괴 분석(Mechanical Behavior and Failure Mechanisms of Li-ion Battery Separators, Digital Image Correlation, 변위, 변형률)

 

목차

 

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이번 글은 논문 "Mechanical behavior and failure mechanisms of Li-ion battery separators - Author links open overlay panel Sergiy Kalnaus a, Yanli Wang b, John A. Turner a" 를 참조 하였습니다.

 

[DIC]리튬 이온 배터리 분리막 파괴 

 

리튬 이온 배터리의 성능과 안전성은 배터리 구성 요소 중 하나인 분리막의 기계적 특성에 크게 좌우됩니다. 분리막은 양극과 음극 사이의 직접적인 전기적 접촉을 방지하면서 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 하는 역할을 합니다. 따라서 분리막은 기계적 강도와 함께 높은 다공성을 가져야 하며, 열적 수축에도 강해야 합니다.

 

최근 연구에서는 상업적으로 이용 가능한 세 가지 리튬 이온 배터리 분리막(Celgard 2325, Celgard PP2075, DreamWeaver Gold 40)의 기계적 특성과 파손 메커니즘을 비교 분석했습니다. 이 연구에서는 분리막의 기계적 이방성, 변형률 속도 민감도, 그리고 인장 하중에서의 파손 모드를 중점적으로 조사했습니다.

 

 

기계적 이방성과 파손 메커니즘

세 가지 분리막 모두 이방성 특성을 보였으며, 특히 Celgard 2325와 PP2075는 기계 방향(Machine Direction, MD)과 횡방향(Transverse Direction, TD)에서의 인장 강도가 크게 다릅니다. MD에서의 인장 강도가 TD보다 최대 10배 높게 나타났습니다. 이러한 이방성은 분리막의 제조 과정에서 형성된 미세구조와 관련이 있습니다.

 

특히, Celgard PP2075는 MD에서 인장 시 여러 개의 섬유로 분리되는 독특한 파손 메커니즘을 보였으며, 이는 전극과의 접촉 면적을 크게 증가시켜 단락(short circuit) 위험을 높일 수 있습니다. 반면, DreamWeaver Gold 40는 이방성 없이 균일한 기계적 특성을 보였으나, 다른 분리막에 비해 낮은 인장 강도와 연신율을 보였습니다.

 

 

변형률 속도 민감도

Celgard 분리막은 변형률 속도에 따른 기계적 특성의 변화도 보였습니다. 변형률 속도가 증가함에 따라 인장 강도와 탄성계수가 증가하는 경향이 있었으며, 이러한 특성은 분리막의 안전 설계에 중요한 요소로 작용할 수 있습니다. 반면, DreamWeaver Gold 40는 변형률 속도에 대한 민감도가 거의 없었습니다.

 

 

연구의 시사점

이 연구 결과는 리튬 이온 배터리의 안전성을 향상시키기 위해 분리막의 기계적 특성을 면밀히 고려해야 함을 시사합니다. 특히, 분리막의 이방성 특성과 변형률 속도 민감도는 배터리 충격이나 변형 시 내부 단락을 방지하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 따라서 배터리 설계 시 다양한 환경에서의 분리막 특성을 고려한 기계적 모델링이 필요합니다.

 

리튬 이온 배터리의 발전과 함께, 더 안전하고 효율적인 에너지 저장 시스템을 구축하기 위해서는 분리막의 특성에 대한 지속적인 연구가 필수적입니다.

 

 

 

 

 

 

 

리튬 이온 배터리 분리막 파괴 시험 및 분석

 

Fig. 1. Setup for separator tensile test

 

 

 

그림 1의 시험 구성은 리튬 이온 배터리 분리막의 인장 시험을 위해 설계된 장치입니다. 이 구성에서, 인장 시험은 MTS 로드 프레임(MTS load frame)과 50파운드(약 0.2 kN)의 하중 셀을 사용하여 수행됩니다. 하중 셀은 0.1 N의 측정 정확도를 가지고 있어 매우 정밀한 힘 측정이 가능합니다.

 

 

 

시험 구성의 주요 요소

1. Wedge 그립(Wedge grips): 시험 샘플을 고정하기 위해 사용됩니다. 이 그립은 샘플이 인장 시험 중에 미끄러지거나 손상되지 않도록 견고하게 잡아줍니다. 시험에서는 그립 내부에 고무 인서트가 삽입되었는데, 이는 분리막이 쉽게 찢어지지 않도록 하기 위한 보호 역할을 합니다.

2. 샘플 크기: 시험에 사용된 샘플은 길이 8 cm, 너비 2 cm의 스트립 형태입니다. 인장 시험을 위한 표점 거리는 40 mm로 설정되었습니다. 샘플은 수령된 분리막 시트에서 칼날로 절단하여 준비되었습니다.

3. 변위 제어: 인장 시험은 변위 제어 방식으로 수행되었습니다. 이는 특정 변형률 속도에서 샘플에 일정한 속도로 변형을 가하는 방식입니다. 시험은 건조 상태에서 진행되었으며, 변형률 속도는 1 × 10^-4 s^-1에서 0.1 s^-1까지 다양하게 적용되었습니다.

4. 디지털 이미지 상관(Digital Image Correlation, DIC) 기술: 이 기술은 시험 샘플의 변형 분포를 측정하기 위해 사용되었습니다. 샘플에 스펙클 패턴을 생성하여 인장 시험이 진행되는 동안 샘플의 변형을 실시간으로 추적합니다. 스펙클 패턴은 샘플 표면에 영구 마커를 사용해 수동으로 제작되었습니다. 이는 일반적으로 사용하는 스프레이 페인트 기술 대신 선택된 방법인데, 페인트가 분리막의 성질에 영향을 미치거나 시험 중 페인트가 박리될 수 있는 가능성을 방지하기 위함입니다.

5. 변형률 측정: 시험 전에 샘플에 약 0.1 N의 작은 인장 하중이 가해졌으며, 이를 통해 샘플이 직선 상태를 유지하도록 하여 처짐을 방지했습니다. 이 상태에서 DIC의 참조 이미지가 기록되었습니다. 이후 인장 시험 동안 샘플의 변형률이 측정되었습니다.

 

 

 

 

Fig. 2. Overall comparison of tensile strength and failure features. (a) comparison of tensile strength in orthogonal directions (CG stands for Celgard and DW is short for Dream Weaver); (b) designation of machine and transverse directions; (c) rupture of Celgard 2325; (d) rupture of Celgard PP2075; (e) rupture of DreamWeaver Gold 40

 

 

 

인장 강도 비교 및 파손 모드
그림 2는 세 가지 분리막(Celgard 2325, Celgard PP2075, DreamWeaver Gold 40)의 인장 강도를 비교하고, 인장 시험에서 나타나는 파손 모드를 시각적으로 보여줍니다.

 

(a) 인장 강도 비교: 그림 2(a)에서는 Celgard 2325, Celgard PP2075, DreamWeaver Gold 40 분리막의 인장 강도를 비교합니다. 인장 시험은 두 가지 방향(기계 방향, MD와 횡 방향, TD)에서 수행되었으며, 이로 인해 분리막의 이방성을 평가할 수 있습니다. Celgard 2325와 PP2075 분리막은 MD에서 TD보다 훨씬 높은 인장 강도를 보였습니다. 특히 Celgard PP2075는 MD에서 TD보다 약 10배 더 높은 강도를 보였습니다. DreamWeaver Gold 40는 두 방향에서 거의 동일한 인장 강도를 보여 이방성이 거의 없음을 나타냅니다.

 

(b) 기계 방향과 횡 방향: 그림 2(b)에서는 인장 시험에서 사용된 샘플의 기계 방향(MD)과 횡 방향(TD)을 설명합니다. 분리막의 제조 과정에서 기계 방향은 재료가 가공되는 주된 방향이며, 횡 방향은 그에 수직인 방향입니다.

 

(c) Celgard 2325의 파손 모드: 그림 2(c)는 Celgard 2325 분리막의 MD에서 발생한 파손을 보여줍니다. 이 분리막은 인장 시험에서 로드 축과 수직으로 곧게 찢어지는 특성을 보였습니다.

 

(d) Celgard PP2075의 파손 모드: 그림 2(d)는 Celgard PP2075 분리막의 MD에서 발생한 파손을 나타냅니다. 이 분리막은 여러 개의 얇은 섬유로 분리되며, 갑작스럽게 파손됩니다. 이는 분리막이 얇은 조각으로 분리되는 독특한 파손 메커니즘을 보여줍니다.

 

(e) DreamWeaver Gold 40의 파손 모드: 그림 2(e)는 DreamWeaver Gold 40 분리막의 파손 모드를 나타냅니다. 이 분리막은 파손 시 섬유가 매트에서 천천히 풀리며 하중이 서서히 감소하는 특성을 보입니다.

 

 

 

 

 

 

 

Celgard 2325의 횡 방향 인장 거동

그림 3은 Celgard 2325 분리막의 횡 방향(TD)에서의 인장 거동과 변형률 분포를 보여줍니다.

 

(a) 인장 응력-변형률 곡선과 변형률 분포: 그림 3(a)에서는 Celgard 2325 분리막의 TD에서의 인장 응력-변형률 곡선이 나타나 있습니다. 이 곡선에서 최고 응력(peak stress) 이후에 거의 일정한 응력이 유지되며, 이는 고도의 플라스틱 변형이 발생하는 콜드 드로잉(cold drawing) 현상을 보여줍니다. 그림 3(a)에는 또한 디지털 이미지 상관(DIC) 기술을 사용하여 측정된 변형률 분포가 포함되어 있습니다. 변형률 분포는 샘플에 높은 변형률이 집중된 밴드(band)가 형성되는 것을 보여줍니다. 이러한 밴드는 하중 축에 수직으로 형성되며, 밴드 내 변형률이 매트릭스 내 변형률보다 여러 배 높습니다.

 

(b) TD 변형 후 미세구조: 그림 3(b)에서는 Celgard 2325 분리막이 TD에서 인장된 후의 미세구조를 SEM(주사 전자 현미경) 이미지로 보여줍니다. 이미지에서는 분리막의 결정질 라멜라(lamellae)가 인장 방향에 따라 늘어나고 변형된 모습을 확인할 수 있습니다.

 

(c) 라멜라의 균열 형성: 그림 3(c)에서는 결정질 라멜라 내에 형성된 균열을 높은 배율의 SEM 이미지로 보여줍니다. 이 균열은 인장 하중으로 인해 발생하며, 이는 분리막이 인장 시험 중에 기계적 응력에 어떻게 반응하는지를 시각적으로 확인할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

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