전극캐스팅 및 전지조립 실험 결과보고서

본 내용은 " [화학공학실험I] 전극캐스팅, 전지 조립 결과보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.10.30

문서 내 토픽

• 1. 전극 캐스팅 공정

  α-MnO4, super P, PVDF를 7:2:1 비율로 혼합하여 슬러리를 제작하는 믹싱공정과 OHP필름을 이용해 SUS기판에 코팅하는 공정을 거친다. NMP 용매를 사용하여 세 물질이 고르게 혼합되고 접착력을 높이며 도전재의 분산을 용이하게 한다. 건조 과정을 통해 전극의 성능과 수명을 향상시킨다. 15개의 SUS기판을 사용한 실험에서 양극재의 무게는 차이값의 0.7배로 계산되며, 1번 기판의 양극재 무게는 0.00168g이다.

• 2. 코인셀 조립 및 작동원리

  Bottom cap, Cathode, Separator, Gasket, Anode, Electrolyte, Spacer, Spring, Top cap 순서로 조립한다. 양극(LiMnO4)에서 Mn4+가 Mn3+로 환원되며 리튬이온이 전해질을 통해 음극으로 이동한다. 음극의 아연금속은 Zn2+로 산화되며 전자를 방출하고, 외부회로를 통해 전기에너지가 생성된다. 전해질 ZnSO4는 안정적인 아연이온 농도를 유지하며 이온을 전달한다.

• 3. 리튬이온배터리 vs 수계아연배터리

  리튬이온배터리는 양극으로 리튬기반산화물(LiCoO2, LiFePO4), 음극으로 흑연을 사용하며 비수계용매에서 작동한다. 수계아연배터리는 양극으로 망간산화물, 음극으로 금속아연, 전해질로 ZnSO4수용액을 사용한다. 수계아연배터리는 화재위험이 낮고 제조가 간단하며 생산단가(3.19 USD/kg)가 저렴하고 친환경적이다. 다만 덴드라이트 현상으로 수명이 짧다는 한계가 있다.

• 4. 전지 구성요소의 중요성

  전극은 화학반응을 통해 에너지를 저장하고 방출하며 배터리의 효율성, 용량, 수명에 직결된다. 양극은 이온의 탈리와 삽입으로 배터리 용량을 결정하고, 음극은 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 전해질은 이온을 전달하고 전류흐름을 조절하며 전극 간 화학반응을 방지한다. 전극과 전해질의 선택이 배터리의 전반적 성능을 좌우한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 전극 캐스팅 공정

  전극 캐스팅 공정은 배터리 제조의 핵심 단계로서 매우 중요한 역할을 합니다. 이 공정에서는 활물질, 바인더, 도전재 등을 균일하게 혼합하여 집전체 위에 코팅하는데, 이 과정의 정밀성이 배터리의 성능을 크게 좌우합니다. 캐스팅 두께, 건조 조건, 압밀 정도 등이 전극의 전기화학적 특성에 직접적인 영향을 미치므로, 공정 최적화는 배터리 용량, 수명, 안전성 향상에 필수적입니다. 특히 고에너지밀도 배터리 개발을 위해서는 더욱 정교한 캐스팅 기술과 품질 관리가 요구되며, 이는 배터리 산업의 경쟁력을 결정하는 중요한 요소입니다.

• 2. 코인셀 조립 및 작동원리

  코인셀은 소형 전자기기에 널리 사용되는 실용적인 배터리 형태입니다. 조립 과정에서 양극, 음극, 분리막, 전해질이 정확한 순서로 적층되어야 하며, 밀폐 구조를 통해 누액을 방지합니다. 작동원리는 화학 반응을 통한 전자 이동으로 전류를 생성하는 기본적인 전지 원리를 따릅니다. 코인셀의 장점은 소형, 경량, 높은 에너지밀도이지만, 용량 제한과 재충전 불가능한 일회용 제품이 많다는 단점이 있습니다. 최근에는 충전식 코인셀 개발도 진행 중이며, 정밀한 조립 기술과 품질 관리가 제품의 신뢰성을 보장하는 데 중요합니다.

• 3. 리튬이온배터리 vs 수계아연배터리

  리튬이온배터리는 높은 에너지밀도, 우수한 성능, 긴 수명으로 현재 시장을 지배하고 있으며, 전자기기와 전기자동차에 광범위하게 사용됩니다. 반면 수계아연배터리는 환경친화적, 안전성 우수, 낮은 비용이라는 장점을 가지고 있어 미래 배터리로 주목받고 있습니다. 리튬이온배터리는 에너지밀도 면에서 우월하지만 화재 위험, 환경오염, 높은 가격이 문제입니다. 수계아연배터리는 아직 에너지밀도와 수명 면에서 개선이 필요하지만, 지속가능성과 안전성 측면에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 향후 용도에 따라 두 기술이 상호보완적으로 발전할 것으로 예상됩니다.

• 4. 전지 구성요소의 중요성

  배터리의 각 구성요소인 양극, 음극, 분리막, 전해질, 집전체는 모두 배터리 성능에 필수적인 역할을 합니다. 양극과 음극은 화학 반응을 통해 전자를 공급하고, 분리막은 이온 이동을 허용하면서 물리적 접촉을 방지하며, 전해질은 이온 전도체로 작용합니다. 집전체는 전자를 효율적으로 수집하고 전달합니다. 각 요소의 재료 선택, 순도, 구조적 특성이 배터리의 용량, 출력, 수명, 안전성을 결정합니다. 따라서 배터리 성능 향상을 위해서는 각 구성요소의 특성을 정확히 이해하고, 상호작용을 최적화하는 것이 매우 중요합니다. 이는 고성능 배터리 개발의 기초가 됩니다.