전극 캐스팅 및 전지 조립 실험 결과 보고서

본 내용은 " 화공신소재기초실험, 화학공학실험1 - 전극 캐스팅, 전지 조립 실험 결과 보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.10.11

문서 내 토픽

• 1. 전극 캐스팅 공정

  활물질 α-MnO2, 도전재 Super P, 바인더 PVDF를 7:2:1 비율로 혼합하여 NMP 용매를 첨가해 믹싱 공정을 수행했다. 제조된 검은색 슬러리를 OHP 필름을 이용해 SUS 기판에 얇고 균일하게 코팅한 후 건조 과정을 거쳤다. 15개 기판 중 4개를 선별하여 건조 전후 질량 차를 측정했으며, 질량 차에 0.7을 곱해 활물질의 양을 계산할 수 있었다. 수작업으로 인한 코팅 두께 편차와 기판 이동 중 손상으로 인해 질량 차의 범위가 0~4.4mg으로 다양했다.

• 2. 코인 셀 조립 공정

  Bottom Cap, Cathode, Separator, Gasket, Anode, Electrolyte, Spacer, Spring, Top Cap 등 9개 부품을 순서대로 조립했다. 지난 주차 캐스팅 기판을 Cathode로, 사포질한 Zn metal을 Anode로 사용했다. 각 부품을 중앙 정렬에 유의하며 배치한 후 손으로 가볍게 누른 뒤 Coin Cell Crimper로 강한 압력을 가해 최종 조립을 완료했다. 이 과정은 전해액 누수 방지와 셀 안정성 향상을 위해 필수적이다.

• 3. 수계 아연 전지의 특성

  수계 아연 전지는 리튬 이온 배터리와 달리 아연 금속을 전극으로 사용하여 원가 절감이 가능하다. 물 기반의 전해질을 사용하여 친환경적이고 비가연성으로 안전하다. 그러나 충방전 과정에서 아연 덴드라이트 형성으로 인한 전지 효율 저하 및 안정성 하락의 위험이 있어 추가 연구가 필요하다.

• 4. 전지 구성 요소의 역할

  Separator는 양극과 음극의 직접 접촉을 방지하고 이온만 이동하도록 하는 다공성 필름으로 단락을 방지한다. Gasket은 전해액 누수를 방지하며, Spacer와 Spring은 부품들의 밀착을 돕는다. 전극과 전해액이 이온 이동에 직접 관여하여 전지 성능과 안정성을 결정하는 가장 중요한 요소이다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 전극 캐스팅 공정

  전극 캐스팅 공정은 배터리 제조의 핵심 단계로서 전극의 품질을 결정하는 중요한 프로세스입니다. 이 공정에서는 활물질, 바인더, 도전재 등을 균일하게 혼합하여 기판 위에 코팅하는데, 이 과정의 정밀성이 최종 배터리의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 캐스팅 두께, 건조 온도, 압밀도 등의 변수들을 정확히 제어해야 높은 에너지 밀도와 사이클 수명을 확보할 수 있습니다. 특히 수계 아연 전지와 같은 친환경 배터리의 경우, 수분에 민감한 재료들을 다루므로 습도 관리와 건조 공정이 더욱 중요합니다. 향후 고속 캐스팅 기술과 자동화 수준의 향상이 생산성 증대와 원가 절감에 크게 기여할 것으로 예상됩니다.

• 2. 코인 셀 조립 공정

  코인 셀 조립 공정은 배터리의 성능을 검증하고 최적화하기 위한 필수적인 실험 단계입니다. 소형 코인 셀은 신규 재료 개발, 전해질 최적화, 전극 설계 개선 등을 신속하게 평가할 수 있는 장점이 있습니다. 조립 과정에서 전극, 분리막, 전해질의 정확한 배치와 밀폐도가 매우 중요하며, 미세한 오염이나 공기 포함도 성능 편차를 야기할 수 있습니다. 특히 수계 전지의 경우 수분 관리가 극히 중요하므로 건조한 환경에서의 조립이 필수적입니다. 코인 셀을 통한 데이터는 대규모 생산 공정으로의 스케일업 시 귀중한 기초 정보를 제공하므로, 정확하고 재현성 있는 조립 기술의 개발이 지속적으로 필요합니다.

• 3. 수계 아연 전지의 특성

  수계 아연 전지는 친환경성, 안전성, 경제성 측면에서 매우 우수한 차세대 배터리 기술입니다. 물을 전해질로 사용하므로 유기 전해질 배터리 대비 화재 위험이 현저히 낮고, 아연은 풍부한 자원으로 원가 경쟁력이 뛰어납니다. 다만 수계 환경에서의 부식, 수소 발생, 아연 덴드라이트 형성 등의 기술적 과제가 존재하며, 이를 해결하기 위해 전해질 첨가제, 전극 표면 처리, 분리막 개선 등 다각적인 연구가 진행 중입니다. 에너지 밀도 측면에서는 리튬 배터리에 미치지 못하지만, 정상 전력 저장, 백업 전원, 대규모 에너지 저장 시스템 등의 용도에서는 충분한 경쟁력을 갖추고 있습니다. 지속 가능한 에너지 사회 구현을 위해 수계 아연 전지의 상용화는 매우 의미 있는 기술 발전입니다.

• 4. 전지 구성 요소의 역할

  배터리의 각 구성 요소는 고유한 역할을 수행하며 상호 유기적으로 작용하여 전체 성능을 결정합니다. 양극과 음극은 화학 반응을 통해 전자를 방출하고 수용하는 핵심 요소이며, 전해질은 이온 전도를 담당하여 내부 회로를 완성합니다. 분리막은 양극과 음극의 물리적 접촉을 방지하면서 이온 투과성을 유지하는 중요한 역할을 하며, 집전체는 전자를 효율적으로 수집하고 전달합니다. 각 요소의 재료 선택, 구조 설계, 계면 특성이 배터리의 용량, 출력, 안전성, 수명 등 모든 성능 지표에 영향을 미칩니다. 특히 수계 아연 전지에서는 수분 안정성, 부식 저항성, 이온 전도도 등을 동시에 만족하는 재료 조합이 필수적이므로, 각 구성 요소 간의 최적화된 조화가 성공의 핵심입니다.