소개글
"리튬 이차전지(Li-ion battery), 특히 **양극 전극(slurry coating 방식의 양극"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 리튬 이차전지(Li-ion battery) 개요
1.2. 리튬이온전지 양극 전극의 중요성
1.3. 양극 전극 제조 방식(slurry coating)
2. 리튬이온전지 양극 전극 분석
2.1. 양극 전극 구성 요소
2.2. 양극 전극 제조 공정
2.3. 양극 전극 특성 분석 방법
2.4. 양극 전극 성능에 미치는 요인
3. 실험 방법
3.1. 양극 전극 제조
3.2. 전기화학 분석 기법
3.3. 분석 데이터 처리 및 해석
4. 실험 결과 및 고찰
4.1. 양극 전극 구조 분석
4.2. 양극 전극 전기화학 특성 평가
4.3. 양극 전극 성능 저하 원인 분석
5. 결론
5.1. 연구 결과 요약
5.2. 리튬이온전지 양극 전극 개선 방향
5.3. 향후 연구 과제
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 리튬 이차전지(Li-ion battery) 개요
리튬 이차전지(Li-ion battery)는 이차 전지의 일종으로서, 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. 리튬 이온 전지는 충전 및 재사용이 불가능한 일차 전지인 리튬 전지와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 리튬 이온 폴리머 전지와도 다르다.
리튬이온전지의 원리는 리튬이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 다르며, 이로 인한 물질의 고유 에너지 상태가 발생 에너지 상태의 차이를 전위차(전압)라 하며 전위차에 의해 전자가 이동(높은 곳에서 낮은 곳으로), 전류(전기)가 발생하게 된다. 방전 시 전자는 도선을 통해, 전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 음극에서 양극으로 이동하며, 충전 시 외부 힘(충전기)에 의해 전자는 도선을 통해, 전자를 잃은 리튬이온은 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동하여 음극활 물질 층 사이에 저장된다.
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다. 주로 휴대폰 등 모바일 IT 기기의 전원으로 사용되고 있지만, 대용량화 기술이 발전함에 따라 자동차 및 에너지 저장 등의 용도로 사용이 확대되고 있다. 특히 자동차 분야로의 사용 확대는 리튬 이차전지 수요 확대의 성장동력으로 작용할 전망이다. 그러나 일반적인 리튬 이온 전지는 잘못 사용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다.
1.2. 리튬이온전지 양극 전극의 중요성
리튬이온전지에서 양극 전극은 매우 중요한 역할을 한다. 양극 전극은 리튬 이온을 저장하고 방출하는 역할을 담당하기 때문에 배터리의 성능을 결정하는 핵심 요소이다. 특히 양극 전극의 활물질 종류와 그 특성은 배터리의 용량, 전압, 수명 등에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), 리튬 철 인산염(LiFePO4) 등이 양극 활물질로 사용되며, 각각의 장단점에 따라 다양한 배터리 응용 분야에 활용된다.
양극 전극은 전지의 전압을 결정하는 핵심 요소이다. 양극과 음극 간 전위차가 크면 높은 전압을 구현할 수 있으며, 이를 통해 높은 에너지 밀도의 배터리를 만들 수 있다. 따라서 고용량, 고전압의 양극 활물질 개발이 리튬이온전지 성능 향상을 위한 중요한 연구 주제이다.
양극 전극의 충/방전 과정에서 발생하는 구조 변화와 부반응은 배터리 수명에 큰 영향을 미친다. 충/방전이 반복되면 양극 활물질 내부에서 리튬 이온의 삽입/탈리가 일어나면서 구조적 변형이 발생하고, 이로 인해 전극의 성능이 점차 저하된다. 또한 전해질과의 부반응으로 인한 부산물 생성도 수명 감소의 주요 원인이다. 따라서 구조적 안정성과 계면 안정성이 우수한 양극 재료 개발이 필수적이다.
양극 전극의 제조 공정인 슬러리 코팅 방식은 활물질, 도전재, 바인더 등의 혼합 및 코팅 단계를 거친다. 이 과정에서 각 구성 요소의 배합비, 용매 특성, 코팅 조건 등이 전극의 미세구조와 전기화학적 특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 양극 전극 제조 공정의 최적화를 통해 전극의 성능을 향상시킬 수 있다.
종합하면, 리튬이온전지에서 양극 전극은 전지의 핵심 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 양극 활물질의 특성, 전극 제조 공정, 전극 구조 안정성 등을 종합적으로 고려하여 양극 전극을 설계하고 개선하는 연구가 필수적이다. 이를 통해 고성능, 고안전성의 리튬이온전지 개발이 가능할 것이다.
1.3. 양극 전극 제조 방식(slurry coating)
전극 제조 공정의 첫 단계는 활물질에 도전제, 바인더를 넣고 섞어주는 믹싱(mixing) 단계이다. 먼저 구리 집전체를 평평하게 깔기 위해 에탄올을 뿌려 준 다음, 200mg을 기준으로 활물질 70%(140mg), 도전제 15%(30mg), 바인더 15%(30mg) 비율로 섞어준다. 가장 많은 비율을 차지하는 활물질은 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질로, 여기에서는 흑연을 사용한다. 소량의 탄소 도전체 Super P를 넣어 전도성을 높여주며, 바인더로는 PVDF를 사용하여 도전체와 활물질이 잘 붙도록 한다. PVDF는 파우더 타입으로 유기용매 NMP에 녹여서 사용하며, 전체 비율을 10wt%로 맞춘다. 유기용매의 양이 너무 많으면 슬러리가 너무 묽어져 적절량을 사용해야 한다.
믹싱 공정이 끝나면 코팅 공정으로 넘어간다. 활물질, 도전제, 바인더가 고루 섞인 슬러리를 기재 위에 도포하는 단계이다. 양극판은 알루미늄 집전체, 음극판은 구리 집전체를 사용한다. 구리 집전체에 코팅이 완료되면 120도 오븐에서 3-4시간 건조시켜 NMP를 제거한다. 그 다음으로 롤 프레싱 단계에서 2개의 롤 사이를 통과시켜 일정한 두께로 만들어 준다. 이 과정에서 기재와 활물질을 잘 붙여주고 전도성을 높이기 위해 압축을 해준다. 초기 극판은 26㎛ 두께에서 70% 압축하여 최종 두께 18.2㎛로 만든다. 극판 양쪽 끝은 상대적으로 불균질하므로 제거하고 균질한 중심부분만 사용한다. 이후 배터리 사이즈에 맞게 소폭으로 슬리팅 공정을 거친 뒤, punching 공정을 통해 최종 극판을 만든다. 마지막으로 120도에서 12시간 가열하여 수분을 제거하면 극판 제조 공정이 완료된다. 이후 배터리 조립은 산화를 막기 위해 아르곤 분위기의 글로브 박스에서 진행된다.
2. 리튬이온전지 양극 전극 분석
2.1. 양극 전극 구성 요소
양극 전극은 리튬이온전지의 핵심 구성 요소로, 알루미늄 기재 위에 활물질, 도전제, 바인더가 입혀진 형태로 이루어져 있다. 활물질은 리튬이온을 포함하고 있는 물질이며, 대표적으로 리튬코발트산화물(LiCoO2), 리튬망간산화물(LiMn2O4) 등이 사용된다. 활물질은 충전 시 리튬이온을 저장하고 방전 시 리튬이온을 방출하는 역할을 한다. 도전제는 활물질의 전도성을 높이기 위해 첨가되는데, 대표적으로 카본 블랙과 같은 탄소 성분이 사용된다. 바인더는 활물질과 도전제가 알루미늄 기재에 잘 부착되도록 하는 접착제 역할을 한다. 대표적인 바인더로는 PVDF(polyvinylidene fluoride)가 사용된다. 이처럼 양극 전극은 서로 다른 기능을 하는 세 가지 구성 요소가 결합된 구조로, 이들의 최적화를 통해 리튬이온전지의 성능을 높일 수 있다. 전극 표면에 고르게 분포된 활물질과 도전제는 리튬이온의 활발한 intercalation/deintercalation을 가능하게 하며, 강한 결착력의 바인더는 충방전 과정에서 전극 구조의 안정성을 유지한다. 이와 같은 양극 전극의 최적화된 구성은 리튬이온전지의 에너지 밀도, 출력 특성, 수명 특성 향상에 핵심적인 역할을 한다.
2.2. 양극 전극 제조 공정
슬러리 코팅 방식의 양극 전극 제조는 크게 믹싱(mixing), 코팅(coating), 롤 프레싱(roll pressing), 슬리팅(slitting), 펀칭(punchin...
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