리튬이온전지 전극구조의 DEM Calendering 시뮬레이션 및 해석
Altair Employee일반적으로 배터리는 양극, 음극, 전해질 및 분리막 네 가지 구성 요소로 나눌 수가 있으며, 배터리는 다양한 유형으로 구성되어 있습니다.
가장 기본적인 구조를 가진 리튬 이온 배터리가 있으며 최근에는 전고체 전지에 대한 연구가 집중되고 있습니다.
그 이유는 안정성입니다. 현재 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용하기 때문에 배터리가 손상될 우려가 있고, 온도 변화에 의한 배터리 팽창이나 외부 충격등 다양한 배터리원인이 발생할 수 있습니다.
배터리 품질을 위해서는 각 공정을 이해하고 제어하는 것이 중요합니다.
각 공정들을 시뮬레이션을 통해 미리 예측을 진행할 수 있으며, 대표적으로 캘린더링 공정을 많이 진행하고 있습니다.
캘린더링은 리튬이온 배터리 전극의 일반적인 압축 공정으로 전극구조 및 리튬이온 배터리 셀의 전기화학적 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
배터리의 분말은 미시적인 기계적 특성을 가지고 있으며 특히 분말은 마이크로미터 범위의 입자 크기 분포를 가지고 있으며 복잡하고 불균일한 형태를 나타냅니다.
그 예시로 아래 SEM 이미지를 확인할 수 가 있습니다. 복잡하고 다양한 입자의 모양과 크기의 이미지를 볼 수 있습니다.
해당 Calendering은 Altair EDEM을 사용하여 시뮬레이션을 진행할 수 있습니다. 캘린더링은 리튬이온 배터리 전극의 일반적인 압축 공정으로 기공 구조 및 리튬이온 배터리 셀의 전기화학적 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
Altair EDEM은 전극을 구성하고 구성된 전극 구조를 사용하여 배터리 셀의 효율성과 최적화를 구현 및 분석할 수 있습니다.
EDEM에서 volume packing기능을 이용하여 전극 구조를 빠르게 구성할 수 있고, 추후 EDEM Analyst로 전극 구조의 효율성을 평가할 수 있습니다.
Calendering 공정을 통해 활물질 층의 압축 밀도가 증가함에 따라 에너지 밀도도 증가하게 되는데 입자의 균일한 공극분포는 배터리의 품질과도 관련이 있습니다.
Calendering Process는 EDEM에서 EEPA Contact Model을 사용하여 구현됩니다. EEPA contact Model을 사용함으로써 입자의 탄성 변형과 점도를 동시에 계산할 수 있습니다.
시뮬레이션 이후 EDEM Analyst 혹은 EDEMpy를 통하여 다양한 분석을 진행하실 수 있습니다.
대표적으로 Porosity와 Tortuosity 그리고 Connectivity가 있습니다.
Porosity의 경우, 물질의 빈 공간을 측정하는 것으로 전체 부피에 대한 공극 부피의 일부, 0~1 또는 0~100% 사이의 백분율을 나타냅니다.
EDEM에서 Porosity를 분석할 수 있는 두 가지 방법이 있습니다. 먼저, EDEM에 Built-in된 Voidage로 분석을 하실 수 있습니다.
그러나 해당 기능의 경우, 입자가 서로 overlap되는 것을 고려하고 있지 않습니다.
두번째로는 EDEMpy를 이용하는 것입니다.
해당 EDEM Porosity.py 스크립트를 이용하여 입자의 overlap을 고려한 porosity를 분석하실 수 있으며 리튬이온 배터리에서 기공의 분포 및 연결성을 보기 위해 Tortuosity를 이용하여 분석할 수 있습니다.
그 외에도 Calendering 공정을 통해 만들어진 입자베드의 미세구조에 전해질이 채워지는 것을 분석할 수 있는데 이는 Altair제품은 nFX를 이용하여 구현할 수 있습니다.
해당 시뮬레이션은 첨부된 파일을 통하여 보다 자세히 확인 및 예제를 진행하실 수 있습니다.
-Example deck file: EDEM Calendering 예제 파일
-EDEM Battery Calendering Process info.pdf: EDEM Calendering 예제 진행관련 세부 매뉴얼
이와 관련된 내용의 추가정보는 다음 게시물에서도 확인하실 수 있습니다.
- Battery Design and Simulation Software
- Optimizing electronics manufacturing processes using Altair EDEM simulation
- DEM Analysis of Lithium Ion Battery Electrode Structures Under Differnt Calendering Conditions
EDEM을 보다 자세한 사항은 아래 링크에 접속하셔서 확인하실 수 있습니다.