전극 캐스팅 및 전지 조립 화학공학실험

본 내용은 " A+ 화학공학실험 예비 리포트(4-5차시)(전극 캐스팅, 전지 조립) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.09.22

문서 내 토픽

• 1. 전극 공정 및 양극재 제조

  리튬이온 배터리의 전극 공정은 믹싱과 코팅 공정으로 구성된다. 믹싱 공정에서는 활물질(α-MnO2), 도전재(super P), 바인더(PVDF)를 7:2:1 비율로 혼합하여 슬러리를 제조한다. NMP 용매를 첨가하여 접착력을 높이고 도전재 분산을 용이하게 한다. 코팅 공정에서는 슬러리를 SUS 집전체에 균일하게 도포하고 80°C에서 건조한다. 이 과정을 통해 전기전도 네트워크와 이온전도 네트워크가 안정적으로 형성되어 배터리 성능이 결정된다.

• 2. 수계 아연 이차전지 및 코인셀 조립

  수계 아연 이차전지는 저가의 아연 금속과 물을 전해질로 사용하는 친환경 차세대 이차전지이다. 코인셀은 낮은 원가와 작은 스케일의 전극으로 배터리 성능 평가에 적합하다. 코인셀 조립은 Bottom cap, 양극, 분리막, Gasket, 전해질(ZnSO4 2M), 음극(Zn metal), Spacer, Spring, Top cap 순서로 구성되며, Crimper를 이용해 압축하여 전해액 누수를 방지한다.

• 3. 배터리 구성 요소 및 재료

  배터리의 4대 요소는 양극, 음극, 전해질, 분리막이다. 집전체는 전기화학 반응의 기판으로 음극은 구리 포일, 양극은 알루미늄 포일을 사용한다. 활물질은 화학반응으로 전기에너지를 생성하며, 도전재는 활물질 간 전자전도도를 보충한다. 바인더는 활물질을 집전체에 접착시키고 부피 팽창을 억제한다. 분리막은 양극과 음극의 직접 접촉을 차단하여 반란을 억제한다.

• 4. 실험 기기 및 측정 원리

  몰타와 유봉은 슬러리 혼합에 사용되며, 항온기는 80°C의 일정한 온도를 유지하여 양극재를 건조한다. Crimper는 조립한 코인셀을 압축하여 전해액 누수를 방지하고 정확한 sealing을 가능하게 한다. 마이크로 피펫은 마이크로리터 단위의 액체를 정확하게 분주하는 기구로 전해질 주입에 사용된다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 전극 공정 및 양극재 제조

  전극 공정 및 양극재 제조는 배터리 성능을 결정하는 핵심 기술입니다. 양극재의 결정 구조, 입자 크기, 표면 특성 등이 에너지 밀도와 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 코팅, 도핑, 합성 방법의 최적화를 통해 이온 전도도와 전자 전도도를 동시에 향상시킬 수 있습니다. 현재 고용량 양극재 개발과 비용 절감이 중요한 과제이며, 친환경적인 제조 공정 개발도 필수적입니다. 다양한 양극재 소재 연구와 공정 혁신을 통해 차세대 고성능 배터리 실현이 가능할 것으로 기대됩니다.

• 2. 수계 아연 이차전지 및 코인셀 조립

  수계 아연 이차전지는 안전성, 환경친화성, 경제성 측면에서 매우 유망한 기술입니다. 물을 기반으로 하는 전해질은 화재 위험을 크게 줄이고 제조 공정을 단순화합니다. 아연의 풍부한 매장량과 낮은 비용은 대규모 에너지 저장 시스템에 적합합니다. 코인셀 조립은 소형 전자기기 응용에 이상적이며, 표준화된 조립 공정을 통해 품질 관리가 용이합니다. 다만 수계 전해질의 전압 윈도우 제한과 아연 덴드라이트 형성 문제 해결이 필요하며, 이러한 기술적 과제 극복 시 상용화 가능성이 높을 것으로 판단됩니다.

• 3. 배터리 구성 요소 및 재료

  배터리의 성능은 양극, 음극, 전해질, 분리막 등 모든 구성 요소의 조화로운 작동에 달려 있습니다. 각 요소의 물리화학적 특성이 전체 시스템의 효율성, 안전성, 수명을 결정합니다. 특히 전해질의 이온 전도도와 분리막의 투과성은 배터리의 출력 특성에 중요한 역할을 합니다. 최근 고에너지 밀도와 빠른 충방전을 위해 새로운 재료 조합이 활발히 연구되고 있습니다. 배터리 성능 향상을 위해서는 각 구성 요소의 특성을 정확히 이해하고 최적화하는 것이 필수적이며, 통합적인 재료 설계 접근이 중요합니다.

• 4. 실험 기기 및 측정 원리

  배터리 연구에서 정확한 측정은 신뢰할 수 있는 데이터 확보의 기초입니다. 전기화학 임피던스 분광법, 순환 전압전류법, 갈바노스태틱 충방전 등 다양한 측정 기법은 배터리의 전기화학적 특성을 규명하는 데 필수적입니다. 각 측정 기기의 원리를 정확히 이해하고 적절히 활용해야 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있습니다. 또한 측정 조건의 표준화와 데이터 해석의 정확성이 연구의 재현성과 신뢰도를 좌우합니다. 첨단 분석 기기의 활용과 측정 원리에 대한 깊이 있는 이해는 배터리 개발 연구의 질을 크게 향상시킬 수 있습니다.