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제품정보 > 저항계

전극 시트의 마이그레이션 평가 (RM2610)

요약

 이 기사에서는 HIOKI 전극 저항 측정 시스템 RM2610을 이용한 저항 측정을 통해 합재층 내부의 마이그레이션을 정량적으로 평가함으로써, 보다 신뢰성 높은 공정 관리를 지원할 수 있음을 소개합니다.

 

배경

전기차(EV) 및 고정형 에너지 저장 시스템용 배터리 제조사들은 각 배터리 셀에 대해 더 높은 에너지 밀도, 고출력화, 급속 충전 성능, 수명 연장은 물론, 셀 간의 품질 균일성과 양산 시 안정적인 제조 품질을 요구하고 있습니다. 이를 실현하기 위해서는 전극 시트의 내부 구조를 제어하는 것이 필수적입니다.

건조 공정은 합재층 내의 바인더 및 전도성 보조제의 분포에 직접적인 영향을 미칩니다. 건조 조건의 미세한 차이만으로도 이 분포가 변화하여, 전극 시트의 성능과 후공정에서 얻어지는 셀 특성에 편차를 초래합니다.

구조 분석이나 원소 분석은 상세한 정보를 얻는 데 유용하지만, 공정 개발을 반복적으로 수행하는 경우나 공정 조건을 직접 비교하는 용도에는 적합하지 않은 부분도 있습니다.

마이그레이션은 전도 네트워크와 집전체, 그리고 합재층의 접촉 저항에 직접적인 영향을 미치므로, RM2610에서 측정된 합재층 저항률 및 계면 저항의 수치 변화는 내부 구조의 변화를 나타내는 직접적인 지표가 됩니다.

 

 

 

과제

건조 과정에서 합재층 내에서 마이그레이션이 발생하면 설계대로의 구조가 되지 않습니다.

고온 조건에서는 다음과 같은 현상이 발생합니다.

  ● 바인더가 합재층 표면으로 이동한다

  ● 전도 보조제도 그 이동에 따라 위쪽으로 이동한다

 

그 결과, 전극 시트의 두께 방향으로 재료 분포가 불균일해져 다음과 같은 문제가 발생합니다.

 

  ● 전극 시트의 편차

  ● 집전체와 합재층 간의 밀착성 저하 (박리 등의 결함 위험 증가)

  ● 셀 간 성능 차이의 확대 (출력 성능 및 쿨롱 효율 저하)

 

 

마이그레이션의 메커니즘

그림 1은 건조 과정에서 발생하는 마이그레이션 과정을 보여줍니다. 90°C에서는 바인더와 전도성 보조제가 균일하게 분포되어 있습니다. 반면, 150°C에서는 바인더가 상단 쪽으로 이동합니다. 이러한 이동에 따라 전도 보조제 또한 상단으로 끌려 올라가, 집전체에서 떨어진 위치에 집중됩니다. 이러한 재분배로 인해 집전체와 합재층의 도전 네트워크가 약화되고, 전기적 접촉이 나빠져 계면 저항이 증가합니다.

 

그림 1 마이그레이션 모식도

 

측정 방법 및 장비 구성

RM2610에서는 다음 두 가지를 측정할 수 있습니다.


  ● 합재층 저항률

  ● 합재층 과 집전체 사이의 계면 저항


이 두 가지 매개변수를 분리하여 측정함으로써, 합재층 내부에서 일어나는 변화와 계면에서 일어나는 변화를 구분하여 파악할 수 있습니다. 마이그레이션은 전도 네트워크를 변화시키기 때문에, 이러한 측정값은 전극 시트 내부의 구조 변화를 직접적이고 정량적으로 보여줍니다.
그림 2에 측정 구성을 보여줍니다.

 

 

그림 2. RM2610의 측정 구성

 

측정 결과

그림 3은 건조 온도와 계면 저항의 관계를 보여줍니다.


  ● 90°C에서는 계면 저항이 약 0.1 Ω·cm²

  ● 150°C에서는 계면 저항이 약 0.6 Ω·cm²까지 증가


이는 건조 온도의 차이에 따라 계면 저항이 약 6배 증가한 것을 보여줍니다. 또한, 150°C 데이터에서는 편차도 커지고 있어, 고온 조건에서는 공정의 안정성이 저하된다는 것을 시사합니다.


 

그림 3 건조 온도와 계면 저항의 관계





측정 결과와 메커니즘 대응

그림 3에 나타난 계면 저항의 증가는 그림 1에 나타난 마이그레이션 메커니즘과 직접적으로 연관되어 있다고 추측할 수 있습니다.


  ● 바인더 및 전도성 보조제의 상향 이동

  ● 집전체 인근의 전도성 재료 감소

  ● 계면에서의 전기적 접촉 저하


이러한 영향들이 복합적으로 작용함으로써 계면 저항의 상승을 설명할 수 있습니다. 이를 통해 저항 측정이 공정 조건에 기인한 구조 변화를 검출하는 직접적인 방법으로 유효하다는 것을 알 수 있습니다.


 

 

도입 장점

RM2610을 사용하면 기술자는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

 

  ● 전극 시트 내의 마이그레이션 검출

  ● 건조 조건이 미치는 영향의 정량화

  ● 공정 조건의 직접 비교

  ● 공정 개발 과정에서 시행착오 줄이기

  ● 전극 시트 제조에서의 품질 향상

 

공정 개발 과정의 초기 단계에서 구조상의 문제를 파악할 수 있으므로, 기술자는 보다 정확한 판단을 내릴 수 있습니다.




정리

전극 시트 건조 과정에서 발생하는 마이그레이션은 전극 시트 내의 특성 편차를 유발하여, 최종 셀 성능 저하로 이어질 우려가 있습니다. RM2610은 합재층 저항률과 계면 저항을 분리하여 측정합니다. 이를 통해 구조 변화를 명확하고 정량적으로 파악할 수 있습니다. RM2610을 이용한 측정을 통해 공정 조건에 기인한 편차를 조기에 검출하고, 보다 효과적인 최적화를 지원할 수 있습니다.

 

제품에 대한 자세한 정보는 웹사이트를 참조해 주십시오. 특정 어플리케이션에 대한 데모나 상담은 당사로 연락해 주시기 바랍니다.