A study on the quantification of non-spherical graphite particle morphology under planar extensional flow via viscoelastic particle focusing
- 주제(키워드) Microfluidics , Planar extensional flow field , Viscoelastic particle focusing , Slurry rheology , Lithium-ion battery
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김주민
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034404
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
The size and shape of graphite, which is a popular active anode material for lithium-ion batteries (LIBs), significantly affect the electrochemical performance of LIBs and the rheological properties of the electrode slurries used in battery manufacturing. However, the accurate characterization of its size and shape remains challenging. In this study, we characterize the edge plane of graphite in a cross-slot microchannel via viscoelastic particle focusing. We report that the graphite particles are aligned in a direction that shows the edge plane by a planar extensional flow field at the stagnation point of the cross-slot region. Accurate quantification of the edge size and shape for both spheroidized natural and ball-milled graphite is achieved when aligned in this manner. Ball-milled graphite has a smaller circularity and higher aspect ratio than natural graphite, indicating a more plate-like shape. We investigated the effects of these differences in graphite shape and size on the rheological properties of the electrode slurry, structure of the coated electrodes, and electrochemical performance. This method can contribute to the quality control of graphite for the mass production of LIBs and enhance the electrochemical performance of LIBs.
more초록/요약
흑연은 리튬 이온 배터리(Li-ion batteries; LIBs)의 음극 활물질로 사용되며 흑연의 크기와 형상에 따라 리튬 이온 배터리의 전기화학적 성능과 배터리 생산 공정에 사용되는 전극 슬러리의 유변학적 물성이 크게 좌우된다. 그러나 기존의 장비로는 비구형 흑연 입자의 크기와 형상을 정교하게 측정하는데 한계가 있으며 측정을 위한 체계적인 방법 또한 존재하지 않았다. 본 연구에서는 십자 형태의 미세유체 채널(cross-slot microchannel)에서 점탄성 입자 집속법(viscoelastic particle focusing)을 활용하여 흑연의 edge plane의 크기와 형상을 정교하게 측정할 수 있음을 보였다. 흑연 입자가 십자 채널 구간의 중심인 stagnation point에 도달하였을 때 평판 신장 유동장(planar-extensional flow field)에 의해 입자가 측면으로 정렬되어 edge plane을 관찰할 수 있었다. 이러한 정렬 방법으로 구형화 된 천연 흑연과 볼밀 흑연 각각의 edge plane의 크기와 형상을 정교하게 정량적으로 측정하였다. 볼밀 공정을 거친 흑연의 경우 천연 흑연과 비교해 작은 circuarity와 큰 aspect ratio를 보였으며 이는 볼밀 공정을 거친 흑연이 천연 흑연에 비해 더 판상 형태를 띠고 있음을 시사한다. 또한 본 연구에서는 이러한 흑연의 크기와 형상 차이가 전극 슬러리의 유변학적 물성, 코팅된 전극의 내부 구조, 그리고 전지의 전기화학적 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 본 연구 방법이 리튬 이차 전지의 대량생산을 위한 흑연의 높은 품질 관리를 가능하게 하고 전지의 전기화학적 특성을 향상하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
more목차
1. Introduction 1
2. Experimental Section 3
2.1 Materials 3
2.2 Fabrication of a microfluidic device 7
2.3 Particle image acquisition and analysis methods 7
2.4 Numerical simulation for the viscoelastic flow and the motion of the oblate particle 10
2.5 Slurry sample preparation and shear rheology measurement 13
2.6 Preparation of the electrode 16
2.7 Electrode cross-section sample preparation and image acquisition 18
2.8 Electrochemical characterization 19
2.9 X-ray diffraction (XRD) analysis 20
2.10 Raman spectroscopy analysis 20
2.11 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis 20
2.12 Nitrogen physisorption analysis 21
2.13 Statistical analysis 21
3. Results and discussion 23
3.1 Quantificational graphite particle measurements 23
3.1.1 Effects of flow rate on focusing efficiency and particle analysis 23
3.1.2 Quantitative measurement of the edge plane of the graphite 29
3.2 Influence of the morphological difference of the graphite particles on the physical properties of anode slurry 33
3.2.1 Physicochemical properties of graphite 33
3.2.2 Rheological properties of graphite slurry 41
3.3 Morphological effect of the graphite on the electrochemical performance 45
3.3.1 Cross-sectional image of the electrodes 45
3.3.2 Electrochemical tests 49
4. Conclusion 60
5. References 62
6. 국문 초록 66
