[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[붙임. 연구결과 개요]

1. 연구배경

최근 리튬 이온 배터리의 소재와 제조 공정의 기술 발전으로 소형 기기에서 전기 자동차에 이르기까지 그 적용 범위가 크게 확대되었다. 배터리를 충전 후 오래 사용하기 위해서는 에너지 밀도를 높여야 한다. 리튬 이온 전지의 전극은 전기화학 반응에 참여하는 합제층과 반응에 참여하지 않고 전류가 흐르는 도선 역할을 하는 집전체로 이루어져 있는데, 두꺼운 전극을 사용하여 단위 부피 당 합제층의 비율을 높이는 전략을 통해 에너지 밀도를 높일 수 있다. 현재 상용화된 리튬 이온 전지 전극은 유기 용매, 활물질, 바인더, 도전재를 혼합하여 만든 액상의 슬러리를 금속 호일에 도포 후 건조하는 습식 전극 공정을 통해 만들어진다. 습식 전극 공정을 이용해 두꺼운 전극을 만들면 건조 중 용매 증발로 인해 바인더와 도전재 분포가 불균일해져 물리적 및 전기화학적 성능에 악영향을 미치기 때문에 두꺼운 전극을 제작하기 어렵다. 이에 유기 용매를 사용하지 않는 건식 전극 공정은 용매 증발과 관련된 문제를 근본적으로 제거하여 바인더와 도전재 분포가 균일한 전극을 제작할 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 하지만 현재까지는 건식 전극 공정에 대한 대부분의 연구는 장비를 사용하지 않고 실험실에서 소량 제작한 건식 전극의 성능 평가에 집중되어 있어 실현 및 확장 가능성이 낮다.

2. 연구내용

본 연구에서는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 바인더로 사용하여 용매가 없는 건식 전극 공정의 단위 공정을 구성하여 각 단위 공정의 특성을 조사하였다. 또한 단위 공정의 반제품 특성 평가 방법을 도입하여 PTFE의 종류 및 함량에 따라 각 단위 공정의 반제품이 어떤 특성을 가지는지, 최종적으로 전지 성능에 어떤 영향을 주는지 긴밀하게 분석하였다. 믹싱(Mixing) - 니딩(Kneading) - 그라인딩(Grinding) 으로 이루어진 과립 형성 단계와 필름 형성 단계, 압연 및 라미네이션으로 각 단위 공정을 구분하였다. 각 반제품에 대한 니딩 토크, 과립 크기 분포 및 인장 강도 측정을 통해 반제품의 특성과 셀 성능의 연관관계를 파악했다. 또한 기존의 문헌에서 사용하지 않는 새로운 PTFE 바인더를 도입함에 따라 바인더의 특성과 함량이 반제품의 특성 및 셀 성능과 어떤 연관 관계를 보이는지 규명하였다. 과립 형성 단계는 믹싱(혼합) - 니딩(반죽) - 그라인딩(분쇄)으로 나눌 수 있다. 믹싱은 파우더 믹서를 사용하여 균일한 복합체를 생성하여 활성 물질, 바인더 및 전도제가 균일하게 분포되도록 하는 공정이다. 니딩은 니더를 통해 PTFE 입자가 섬유화되어 활성 재료 및 전도성 물질과 통합된 네트워크 구조를 만들어 ‘전극 반죽’이라는 반제품을 만드는 공정이다. 그라인딩은 공정 속도를 개선하고 균일한 두께를 가진 전극 필름을 만들기 위해 파우더 밀을 사용하여 전극 반죽을 약 200 um 크기의 ‘전극 과립’으로 분쇄하는 공정이다. 반제품 특성 평가를 통해 압출비(extrusion ratio)가 높은 PTFE를 적게 사용할수록 작은 과립이 만들어지는 것을 확인하였다. 필름 형성 단계에서는 롤밀을 활용하여 일정한 두께의 얇은 전극 필름을 만든다. 전극 필름의 인장 강도 및 기타 물리적 특성은 물성 시험기(Universal testing machine)를 사용하여 평가할 수 있다. 이어지는 압연 공정은 합제 밀도 증가와 소재의 전기적 접촉 향상을 위해 압연기를 사용해 얇게 눌러 두께를 감소시키고 합제 밀도를 증가시켜 준다. 습식 전극 공정과 달리 집전체 없이 전극 필름을 먼저 압연한 다음 집전체를 접착하는 2단계 공정으로 이루어진다. 반제품 특성 평가를 통해 압출비가 높은 PTFE를 적게 사용할수록 전극의 미세 구조가 개선되어 출력 특성이 향상되는 것을 확인하였다.

3. 기대효과

연구진은 PTFE 기반 건식 전극 공정에 대한 구조화된 탐구를 통해 전체 공정에 대한 이해를 높일 뿐만 아니라 명확하게 정의된 단위 공정과 새로운 반제품 평가 항목을 통해 건식 전극 공정 상용화를 위한 초기 연구를 진행했다. 또한 압출비가 높은 PTFE를 도입하면 전극의 미세구조와 출력 특성이 개선된다는 것을 최초로 보고하였다. 추후 소재 및 건식 전극 공정의 최적화를 통해 두꺼운 전극의 성능이 상용화된 습식 전극의 출력 특성을 뛰어넘을 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임. 용어설명]

1. 에너지 밀도 (Energy density)

단위 부피 당 에너지를 나타내는 값. 단위는 Wh/L 으로, 전압과 용량이 높을수록, 부피가 낮을수록 셀의 에너지 밀도가 높다.

2. 활물질 (Active material)

충전 및 방전 중 전기화학 반응에 참여하여 용량을 내는 재료. 상용 리튬 이온 전지 양극은 리튬 니켈-코발트-망간 산화물. 음극은 흑연을 주로 사용한다.

3. 바인더 (Binder)

활물질과 도전재를 물리적으로 붙여 주는 접착제의 역할을 하는 재료.

4. 도전재 (Conductive agent)

합제층 내 전자의 이동 경로를 형성해 주는 재료. 양극 활물질인 리튬 니켈-코발트-망간 산화물은 전자 전도성이 낮아 탄소계 도전재를 혼합하여 전극을 제작한다.

[붙임. 그림설명]

그림1. 건식 전극 제조 공정

Handmade, Lab-scale 공정이 아닌, 본 연구(Fab-scale)에서는 실현성 및 확장 가능성을 고려하여 단위 공정, 장비, 반제품을 새롭게 정의함.

그림2. 니딩(Kneading) 시간 별 전극 반죽(Eledtrode dough) 모식도와 SEM 사진

그림3. 건식 전극 필름 형성 공정

(a) 필름 형성 공정 모식도, (b) PTFE 종류 및 함량 별 전극 필름 사진

그림4. 건식 전극 공정 반제품 평가 결과

왼쪽부터 니딩(Kneading) - 최대 니딩 토크, 그라인딩(Grinding) - 과립 크기, 필름 형성 – 인장 강도 측정 결과