화학공학실험: 전극 캐스팅 및 전지 조립

문서 내 토픽

1. 전극 캐스팅(Electrode Casting)

SUS 기판에 양극재 슬러리를 코팅하는 실험으로, 활물질(α-MnO2), 도전재, 바인더(PVDF)를 7:2:1 비율로 혼합하여 NMP 용매에 분산시킨다. OHP 필름을 이용해 1cm×1cm 정사각형 형태로 균일하게 도포한 후 80°C에서 건조한다. 양극재의 구성 비율과 무게는 배터리의 전기전도성, 에너지 밀도, 전극 결합력에 직접 영향을 미쳐 배터리 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
2. 코인셀(Coin Cell) 조립

Bottom cap, 양극, 분리막, Gasket, 음극(Zn metal), 전해질, Spacer, Spring, Top cap의 순서로 조립한다. Zn 금속은 사포질하여 덴드라이트 형성을 방지하고 표면을 균일하게 한다. 전해질로 ZnSO4(2M)를 사용하며, Crimper로 압축하여 전해액 누수를 방지한다. 정확한 정렬과 sealing이 배터리 성능과 안정성을 좌우한다.
3. 배터리 전극 재료 및 특성

양극은 α-MnO2, 음극은 Zn metal을 사용한다. SUS는 저렴하고 높은 전위에서 전기화학적으로 안정적이어 양극 집전체로 적합하다. PVDF 바인더는 비수계 바인더로 NMP와의 조합이 우수하며, 양극재의 부피 팽창이 작아 선 접촉형 바인더로 충분하다. 도전재 부족 시 전극 저항 증가, 과다 시 에너지 밀도 저하를 초래한다.
4. 수계 아연 배터리(AZIB) vs 리튬이온 배터리(LIB)

AZIB는 수계 전해질을 사용하여 LIB보다 낮은 전압과 에너지 밀도를 가지지만 안전하고 환경 친화적이며 저렴하다. LIB는 유기 전해질을 사용하여 높은 에너지 밀도를 제공하나 화학적 불안정성으로 안전 문제가 발생할 수 있다. AZIB는 습기와 산화가 적은 환경을 요구하며, 음극에서 덴드라이트 형성이 주요 과제이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 전극 캐스팅(Electrode Casting)

전극 캐스팅은 배터리 제조의 핵심 공정으로서 매우 중요한 기술입니다. 균일한 두께와 밀도를 가진 전극을 생산하기 위해서는 정밀한 공정 제어가 필수적입니다. 캐스팅 과정에서 슬러리의 점도, 건조 속도, 온도 관리 등이 최종 전극의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 고용량 배터리 개발을 위해서는 두꺼운 전극을 균일하게 캐스팅하는 기술이 중요하며, 이는 에너지 밀도 향상에 기여합니다. 다만 캐스팅 공정의 복잡성으로 인한 생산 비용 증가와 수율 문제를 해결하기 위한 지속적인 기술 개선이 필요합니다.
2. 코인셀(Coin Cell) 조립

코인셀은 배터리 연구 개발에서 가장 널리 사용되는 테스트 셀 형식으로, 소량의 재료로 신속하게 성능을 평가할 수 있는 장점이 있습니다. 조립 과정에서 전극 간 거리, 분리막의 적절한 함침, 전해질의 정량적 주입 등이 정확하게 이루어져야 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있습니다. 코인셀 조립의 표준화된 프로토콜은 서로 다른 연구기관 간의 결과 비교를 가능하게 합니다. 그러나 코인셀의 작은 용량과 실제 상용 배터리와의 차이점을 고려하여 결과를 해석해야 하며, 대규모 생산 공정으로의 스케일업 시 추가적인 최적화가 필요합니다.
3. 배터리 전극 재료 및 특성

배터리 전극 재료는 배터리 성능을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 양극 재료로는 리튬 금속 산화물(LCO, NCM, NCA 등)이 널리 사용되며, 음극으로는 흑연이 표준이지만 실리콘 등의 차세대 재료 개발이 진행 중입니다. 각 재료의 이론 용량, 사이클 안정성, 안전성, 비용 등을 종합적으로 고려하여 선택해야 합니다. 최근에는 고에너지 밀도와 장수명을 동시에 달성하기 위해 다양한 신소재와 도핑, 코팅 기술이 연구되고 있습니다. 전극 재료의 특성 이해는 배터리 설계 및 성능 최적화의 기초가 되므로, 지속적인 재료 과학 연구가 필수적입니다.
4. 수계 아연 배터리(AZIB) vs 리튬이온 배터리(LIB)

수계 아연 배터리는 안전성, 환경친화성, 낮은 비용 측면에서 리튬이온 배터리의 유망한 대안입니다. 아연은 풍부한 자원이며 수용성 전해질 사용으로 화재 위험이 낮고 제조 공정이 간단합니다. 그러나 현재 AZIB의 에너지 밀도는 LIB에 비해 낮으며, 아연 덴드라이트 형성과 수소 발생 등의 기술적 과제가 남아있습니다. LIB는 높은 에너지 밀도와 성숙한 기술로 현재 시장을 주도하고 있지만, 리튬 채굴의 환경 문제와 높은 비용이 단점입니다. 향후 AZIB는 저가 대용량 에너지 저장 시스템에, LIB는 고성능이 필요한 전자기기와 전기차에 각각 최적화될 것으로 예상됩니다.

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