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드라이 공정용 양극 합성재의 적절한 전도성 보조제 함량과 혼합 시간 차이에 관한 고찰 (분체 임피던스 측정 시스템)

요약

 

고급 재료 평가를 통한 건식 공정 전극 개발 강화

  

 

 리튬 이온 배터리는 다양한 용도로 널리 사용되고 있으며, 기존에는 전극 제조에 습식 공정이 채택되어 왔습니다. 이 방법에서는 활물질 등을 물이나 NMP와 같은 용매에 분산시킨 후, 이를 집전체에 도포하는 공정이 포함됩니다. 그러나 이 용매를 증발시키는 건조 공정에는 막대한 에너지가 필요하며, 전체 제조 에너지 소비의 약 40%를 차지할 뿐만 아니라 다량의 CO2 배출을 유발합니다. 특히 전기차(EV)나 에너지 저장 용도 등 배터리 분야에서 지속 가능성에 대한 세계적 수요가 높아지는 가운데, 환경 부하와 생산 비용을 억제하기 위한 대체 방법이 요구되고 있습니다.


그 하나의 대체 방법이 드라이 공정입니다. 이 방법은 용매를 사용하지 않기 때문에 이미 전기 이중층 커패시터에서 검증된 기술이며, 에너지 소비 감소와 CO2 배출량 저감, 셀 전체의 비용 절감이 기대됩니다. 그러나 드라이 공정에 최적화된 재료를 개발하기 위해서는 효율적인 전도 경로를 확보하면서도 재료의 구조를 손상시키지 않는 전도 보조제의 함유량이나 혼합 시간 등을 결정하는 등 몇 가지 과제가 있습니다.


HIOKI의 분체 임피던스 측정 시스템은 이러한 건식 공정 재료 평가의 과제를 해결하기 위해 설계되어 분체 재료를 정확하게 평가할 수 있습니다. 이를 통해 연구 개발 엔지니어는 공정 효율화와 혁신 촉진을 도모할 수 있습니다. 본 기사에서는 양극 합성재에서 전도성 보조제의 비율 및 혼합 시간 평가에 해당 시스템을 활용하는 방법을 살펴보고, 효율적인 전극 개발 방법을 소개합니다.

드라이 공정 재료 평가의 배경과 과제

  지속 가능한 배터리 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라, 특히 배터리 전기 자동차(BEV)용으로 드라이 프로세스가 주목받고 있습니다. 이 방법은 환경 부하 경감에 기여하지만, 재료 평가에는 신중한 접근이 필요합니다. 주요 과제로는 평가 비용의 높음과 처리 시간의 길이가 꼽힙니다. 기존 시스템에서는 여러 장비를 사용하는 것이 일반적이며, 그 결과 오류가 발생하기 쉽고 효율적인 운영이 어려워질 수 있습니다.

해결책: HIOKI의 분체 임피던스 측정 시스템 활용

 HIOKI의 분체 임피던스 측정 시스템은 이러한 과제에 효과적인 해결책을 제공합니다. 프레스 유닛, 측정 모듈, 전용 소프트웨어를 조합함으로써 신속하고 정확한 재료 특성 평가가 가능합니다. 연구 개발 담당자에게 이 시스템은 가동 중단 시간과 비용을 절감하면서 평가 정확도를 향상시키기 위한 유용한 도구가 됩니다.


측정 대상물

・재료 정보

  활물질: NCM

  전도성 보조제: AB

  바인더: PTFE

・조성

  NCM:AB:PTFE ＝ 100:｛x｝:3 (AB 비율을 1.5~5.5(0.5 단위)로 조제)

・제조 방법

 PTFE 폴리머를 미세한 섬유로 만드는 피브리화 기법으로 제조하였다.

 전체 질량이 10 g이 되도록 각 비율로 분말을 계량하여 제조하였다.

 

 자동 분쇄기*에 전량을 투입하여 10분, 30분, 60분 동안 혼합하여 반죽을 제조하였다.


측정 조건

・저항 측정 방식: 직류 저항 측정(저항계 RM3545A 사용)

・중량: 100 mg

・하중 조건: 0.10 kN, 0.50 kN, 1.00 kN, 1.50 kN, 2.00 kN, 5.00 kN, 10.00 kN

 

・전극 직경: φ10 mm

측정 결과와 고찰

 전도성 보조제 함량 차이에 따른 부피저항률 변화

혼련 시간 10분, 하중 1 kN 시 전도성 보조제 비율에 따른 부피저항률 변화 그래프를 나타냅니다. (그림.1)

                                                     그림.1. 전도성 보조제 비율에 따른 부피저항률 변화

 

AB 비율 1.5~2.5에서는 NCM 단독의 부피저항률에 가까운 값을 나타냈다. AB 비율 3.0~3.5에서 저항률이 급격히 감소했으며, AB 비율 4.0, 4.5에서는 감소폭이 작아졌다. 퍼콜레이션*의 임계값은 AB 비율 3.5 부근으로 간주되므로, 드라이 프로세스 전극을 제작할 경우 퍼콜레이션 임계값이 AB 비율 3.5 이상의 농도가 되도록 AB를 첨가해야 합니다.


*퍼콜레이션이란 전도 보조제 등의 전도성 입자가 전극 내에서 연속적인 네트워크를 형성하여 전자가 재료 전체에 효율적으로 이동할 수 있는 상태를 의미합니다. 전도 보조제의 함량이 퍼콜레이션 임계값을 초과하면 부피저항률이 급격히 감소하며 전극의 전도성이 크게 향상됩니다.


혼합 시간 차이에 따른 부피저항률의 상관관계

AB 비율 3.5의 샘플에 대해, 하중별 부피저항률 변화 그래프를 나타냅니다. (그림.2)

                                                                           그림 2. 하중별 부피저항률 변화

혼합 시간이 길수록 체적저항률이 높아졌습니다. 혼련 시간에 따라 저항률이 상승한 이유로는 AB 네트워크가 절단되었거나 PTFE가 AB 입자 표면에 코팅되었기 때문으로 여겨집니다.


측정 샘플

혼련 시간별 측정 샘플 사진을 보여줍니다.(그림. 3)

정성적인 외관상으로는 10분에서는 분말이 날리기 쉬웠고, 30분에서는 뭉쳐진 상태가 되었습니다. 60분에서는 다시 분말 상태가 되었으며, 70분에서는 유동성이 높은 분말이 되었습니다. 이러한 결과로부터 최적의 혼련 시간은 30분으로 생각됩니다.

그림 3. 혼련 시간별 샘플 상태의 이미지


결론: 배터리 연구 개발의 추진

HIOKI의 분체 임피던스 측정 시스템은 건식 공정 재료의 평가를 효율화하고 배터리 분야 연구 개발에 종사하는 기술자에게 유용한 도구입니다. 본 시스템을 활용하면 전도성 보조제의 최적 배합량과 혼합 시간을 파악할 수 있어 건식 공정의 실용화를 위한 과제 해결에 기여합니다. 이를 통해 제조 비용 절감과 CO2 배출량 감소, 나아가 지속 가능한 에너지 기술 개발 촉진이 기대됩니다. 배터리 연구 개발에 종사하시는 분들께 본 시스템은 현안 과제 해결에 도움이 될 뿐만 아니라 향후 기술 혁신에도 기여할 것으로 생각됩니다.