리튬 전지 전극 캐스팅 및 수계 아연 이차 전지 조립

문서 내 토픽

1. 리튬이온 이차전지 양극 캐스팅

양극재 캐스팅 실험은 활물질(α-MnO2), 도전재(Super P), 바인더(PVDF-HFP)를 7:2:1 비율로 혼합하여 슬러리를 제조하는 믹싱 공정과 이를 SUS 기판에 코팅하는 코팅 공정으로 구성된다. 활물질은 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하며, 도전재는 전자 전도도를 보충하고, 바인더는 접착력과 전기화학적 안정성을 제공한다. NMP 용매와 함께 사용되어 고르게 분산된 양극 물질을 형성하며, 최종적으로 80℃에서 건조하여 전극을 완성한다.
2. 전극 소재의 역할 및 특성

양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물(LCO, NCM 등)로 구성되며 리튬이온을 저장하고 방출한다. 음극 활물질은 주로 흑연이 사용되며 우수한 수명을 가진다. 양극 집전체는 알루미늄 포일, 음극 집전체는 구리 포일을 사용하여 전기화학적 안정성과 전도성을 확보한다. 바인더는 충방전 반복 시 양극재 부피 변화로 인한 성능 저하를 방지하는 중요한 역할을 수행한다.
3. 수계 아연 이차 전지(AZIB) 원리 및 구조

수계 아연 이차 전지는 물을 용매로 하는 전해질을 사용하여 대기 중 제조가 가능하며, 높은 용량, 저렴한 비용, 친환경성을 장점으로 한다. Coin cell 구조는 Bottom Cap, Gasket, 양극, 분리막, 전해질, 음극, Spacer, Spring, Top Cap으로 구성되며, 각 부품이 정확히 정렬되어야 한다. 전해질 내 Zn2+ 이온이 OH- 이온과 반응하여 Zn(OH)42-를 생성하며, 용해도 역치를 초과하면 전지 성능이 저하된다.
4. Coin cell 조립 및 성능 평가

Coin cell은 낮은 원가와 작은 용량으로 배터리 1차 성능 평가에 자주 사용된다. 조립 시 음극(Zn metal)을 사포질하여 0.6cm×0.6cm 크기로 준비하고, 양극은 캐스팅된 α-MnO2를 사용한다. 분리막(Filter paper)으로 양극과 음극을 분리하고 ZnSO4(2M) 전해질 0.3mL를 주입한 후 Crimper로 압력을 가하여 밀폐한다. 부품의 정확한 정렬과 중앙 배치가 전지의 올바른 작동을 결정한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 리튬이온 이차전지 양극 캐스팅

리튬이온 이차전지의 양극 캐스팅 공정은 배터리 성능을 결정하는 핵심 기술입니다. 균일한 코팅 두께와 밀도 제어를 통해 에너지 밀도와 사이클 수명을 향상시킬 수 있습니다. 특히 슬릿 다이 캐스팅 방식은 대량 생산에 효율적이며, 용매 선택과 건조 조건 최적화가 중요합니다. 다만 환경 오염과 용매 회수 비용이 과제이므로, 수계 바인더 기술 개발이 필요합니다. 향후 건식 코팅 기술로의 전환이 산업의 지속가능성을 높일 것으로 예상됩니다.
2. 전극 소재의 역할 및 특성

전극 소재는 배터리의 에너지 밀도, 출력 특성, 안전성을 직접 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 양극 소재(LCO, NCM, LFP 등)는 리튬 이온 저장 용량과 전자 전도도에 영향을 미치며, 음극 소재(흑연, 실리콘)는 충방전 효율을 좌우합니다. 각 소재의 입자 크기, 결정 구조, 표면 특성이 성능에 미치는 영향은 매우 큽니다. 고용량, 고안전성, 저비용을 동시에 만족하는 신소재 개발이 차세대 배터리 기술의 핵심이며, 이는 전기자동차와 에너지 저장 시스템의 발전을 가능하게 할 것입니다.
3. 수계 아연 이차 전지(AZIB) 원리 및 구조

수계 아연 이차 전지는 안전성, 환경친화성, 저비용 측면에서 매우 유망한 차세대 배터리 기술입니다. 아연의 높은 이론 용량(820 mAh/g)과 수용액 전해질의 우수한 이온 전도도가 장점입니다. 다만 아연 음극의 수지상 성장과 산화 문제, 양극 소재의 낮은 사이클 수명이 주요 과제입니다. 적절한 전해질 첨가제와 양극 소재 개선을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 특히 대규모 에너지 저장 시스템과 저가 배터리 시장에서 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 잠재력이 큽니다.
4. Coin cell 조립 및 성능 평가

Coin cell은 배터리 연구 개발의 표준 테스트 플랫폼으로, 신소재와 신기술을 빠르게 평가할 수 있는 장점이 있습니다. 정확한 성능 평가를 위해서는 엄격한 조립 조건(압력, 온도, 습도)과 일관된 절차가 필수적입니다. 충방전 특성, 임피던스 분석, 사이클 수명 평가 등 다양한 측정 기법이 배터리의 전기화학적 특성을 파악하는 데 중요합니다. 다만 Coin cell의 소규모 용량은 실제 상용 배터리와의 스케일 업 과정에서 성능 차이를 야기할 수 있으므로, 결과 해석 시 주의가 필요합니다.

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