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LIB 전극 슬러리의 전자 전도성 평가(SA2631, SA9001, SA9002, IM3536)

  LIB 전극 슬러리의 전자 전도성 평가(SA2631, SA9001, SA9002, IM3536) [786.79 KB]

요약

배경

탈탄소, EV 화가 가속화되는 가운데, 리튬 이온 배터리에 요구되는 기능과 성능은 높아지고 있습니다. 리튬 이온 배터리의 슬러리 (LIB 전극 슬러리)는 예를 들어 양극(용제계)에서는 양극 활물질 및 도전보조제, 바인더를 NMP에 분산시켜 생성합니다. 슬러리의 상태는 재료의 종류나 조성, 분산 방법에 따라 크게 달라집니다. 또한, 잘 분산되어 있지 않으면 각각의 물질의 본래의 성능을 낼 수 없어 배터리 용량이 저하되거나 내부 저항이 커지는 경향이 있습니다. 한편, 슬러리 상태에서 전기 특성(임피던스 특성)을 알 수는 있지만 복합재료로써 복잡성이 높은 슬러리의 내부 상태(혼합 정도)까지는 알기가 매우 어렵습니다. 

여기서는 슬러리 해석 시스템을 이용한 LIB 전극 슬러리의 전자 전도성 평가를 통해 내부 상태를 추정하는 사례를 소개합니다.

 

【참고】슬러리 해석 시스템의 해석 원리 (☜클릭)

 

평가 사례1. 믹싱 시간에 따른 차이 

■ 목적 

믹싱 시간의 최적화


■ 슬러리 제작 조건 

고형분 비율・・・활물질: 95 %　도전보조제: 2.5 %　바인더: 2.5 %

믹싱 공정・・・고형분 농도가 70 %인 상태에서 0, 1, 3, 6분간 믹싱

점도 조절 공정・・・고형분 농도가 50 %가 되도록 NMP로 희석

 

■ 해석 결과 

 

■ 고찰

믹싱 시간의 증가와 함께 Rratio는 저하되고 DCR은 증가했습니다. 이는 믹싱 시간이 짧은 편이 도전 재료의 네트워크가 발달되어 있어 그에 따라 슬러리의 전체 저항이 낮아졌다고 할 수 있습니다. 한편, Uniformity는 믹싱 시간의 증가와 함께 상승했습니다. 슬러리의 분산성은 믹싱 시간이 긴 편이 양호하다고 볼 수 있습니다. 이것들을 종합하면, 각 믹싱 시간에 있어서 슬러리 안의 도전 재료의 상태는 다음과 같다고 추정할 수 있고 3분 이상인 편이 비교적 좋은 슬러리라고 판단할 수 있습니다.

 

 

평가 사례2. 도전보조제 양의 차이

■ 목적

도전보조제 첨가량에 따른 전극 저항의 저하 효과를 확인

슬러리 임피던스와 전극 저항의 관련성을 확인


■ 슬러리 제작 조건
고형분 비율・・・활물질: 18 g, 도전보조제: 0.25 g, 0.5 g, 0.75 g, 바인더: 0.5 g
믹싱 공정・・・고형분 농도가 70 %인 상태에서 9분간 믹싱
점도 조절 공정・・・고형분 농도가 50 %가 되도록 NMP로 희석

■ 해석 결과
■ 고찰
도전보조제의 첨가량이 증가함에 따라 Rratio는 상승하고 DCR은 저하되었습니다. 이러한 변화는 도전보조제 첨가에 의해 슬러리 안의 도전 재료 네트워크가 발달하여 그로 인해 슬러리의 전체 저항이 저하되었다고 추정할 수 있으며, 슬러리 해석 이론대로 변화하였다고 생각됩니다.
한편 Uniformity는 조제 0.75g의 수준은 0.5g의 수준에 비해 낮은 균일성을 보입니다. 조제 0.75g 수준의 도전 재료 네트워크는 비교적 발달되어 있지만 분산이 부족하다고 추정할 수 있습니다.
또한 이러한 슬러리를 전극 시트화하여 전극 저항 측정 시스템 RM2610으로 해석한 결과, 도전보조제의 첨가량 증가에 따라 합재층 저항, 계면 저항 모두 저하되었습니다.이 결과는 슬러리의 전자 전도성이 전극시트의 저항 특성으로 이어졌으며, 양호한 도공 공정임을 시사합니다.

평가 사례3. 분산제 양 차이에 따른 전자 전도성과 동적 점탄성의 관련성
■ 목적
분산제 첨가량이 슬러리에 미치는 영향을 임피던스, 유동학(rheology)의 양쪽 측면으로 확인

■ 슬러리 제작 조건
고형분 비율・・・활물질: 96 %, 도전보조제: 2 %, 바인더: 2 %, 분산제: 0.08 %～0.16 % （4 %～8 % vs도전보조제 양）
도전보조제 슬러리 조제・・・도전보조제, 분산제, NMP만으로 도전보조제 슬러리 제작
전극 슬러리 조제・・・활물질, 바인더 용액을 추가해 전극 슬러리 제작


■ 해석 결과


■ 고찰
・분산제　첨가4 % → 5 % vs 도전보조제 양
Rratio는 급격히 상승해 G'와 G''의 차이는 줄어들었습니다.
분산제 첨가에 의해 도전보조제의 응집체가 풀어짐과 동시에, 형성된 도전보조제 네트워크 구조가 도전 패스로써 기능하고 있음을 시사합니다.

・분산제　첨가5 % → 8 % vs 도전보조제 양
더욱 분산제의 첨가량을 늘려가면 슬러리의 G”가 우위가 되기 때문에 유동성이 향상되어 도공성을 조절할 수 있지만, Rratio는 저하되기 때문에 도전보조제 네트워크의 미세화가 진행되는 한편으로 절단도 일어나고 있다는 것이 추측됩니다.