제품정보

인기검색어

  • 8450
  • 3545
  • 3554
  • 3288
  • lr8450

제품정보

제품정보 > 신기술응용

상류 공정에서의 임피던스 평가를 통한 배터리 전극 설계 최적화 (RM2610, SA2634)

요약

 

슬러리 및 전극 시트 저항 측정을 통한 도전 네트워크 형성 파악 

고성능 리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라, 전극 시트 설계의 최적화는 연구 개발의 중요한 과제가 되고 있습니다. 배터리 성능은 전극 시트 제조 과정에서 형성되는 내부 도전 네트워크에 크게 좌우됩니다. 이 네트워크는 슬러리 단계에서 형성이 시작되어, 이후 전극 시트 제조 공정까지 발전해 나갑니다.

기존에는 슬러리 배합에 사용되는 도전재 최적화를 셀 시제품 제작과 성능 평가를 반복하는 방식으로 수행해 왔습니다. 그러나 이 방법은 시간과 비용이 많이 소요되어 효율적이라고 할 수 없습니다. 더 이른 단계에서 전기적 특성을 직접 평가할 수 있다면 시행착오에 대한 의존도를 줄이고 개발 효율을 대폭 향상시킬 수 있습니다.

HIOKI는 그 해결책으로 슬러리 해석 시스템 SA2634와 전극 저항 측정 시스템 RM2610의 병용을 제안하고 있습니다.

 


 

 

 

배경: 전극 슬러리 내 도전 네트워크 형성

전극 슬러리는 활물질·도전재·바인더를 용매에 분산시킨 것입니다. 이 중에서 도전재는 전자의 통로(도전 경로)를 형성하여, 최종적인 전극 시트의 전기 전도성을 결정합니다. 여기서 중요한 개념이 퍼콜레이션(Percolation)입니다. 도전재의 농도가 특정 임계값을 초과하면 연속적인 도전 네트워크가 형성되어 임피던스가 급격히 감소합니다. 반면, 이 임계값 미만에서는 충분한 도전성을 얻을 수 없으며, 반대로 첨가량이 너무 많으면 활물질의 비율이 감소하여 배터리 용량 저하를 초래합니다. 

 

 

기존 개발 방식의 과제

기존의 전극 개발에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

 

•    슬러리의 도전성을 측정할 수단이 없음

•    전극 시트의 합재층 저항만을 평가하기 어려움

•    집전체와 합재층 사이의 계면 저항을 평가할 수 없음

•    성능 검증을 위해 셀 시제품 제작이 필요함

•    시행착오의 반복으로 인한 개발 시간 및 비용 증가

 

이처럼 슬러리 단계와 전극 시트 단계 모두에서 도전성을 정량적으로 파악할 수 없다는 점이 개발 효율을 크게 저해하고 있습니다.

 

 

HIOKI의 통합 측정 솔루션

슬러리 해석 시스템과 전극 저항 측정 시스템을 결합함으로써, 슬러리부터 전극 시트에 이르는 전기적 특성을 포괄적으로 평가할 수 있습니다. 슬러리 해석 시스템을 통해 슬러리의 임피던스를 직접 측정하여 도전 네트워크의 형성을 파악할 수 있습니다. 한편, 전극 저항 측정 시스템은 합재층 저항률 및 집전체와 합재층 사이의 계면 저항을 정량화합니다.

 

그림 1. HIOKI의 전극 저항 측정 시스템 RM2610과 슬러리 해석 시스템 SA2634

 

이러한 통합적인 접근 방식을 통해 재료 조성이 중간 공정 및 최종 전기적 특성 모두에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.


 

 

측정 결과 및 고찰

도전재 비율을 변화시킨 조건(NCM:AB:PVDF = 100:x:3, AB 비율 0.5~4.0)에서 측정을 실시했습니다.

그림 2. 고형분 중 도전재 비율 [w/w%]과 슬러리의 DCR 및 Rratio 간의 관계                  그림 3. 고형분 중 도전재 비율 [w/w%]과 전극 시트의 합재층 저항률·계면 저항 간의 관계

 

 

측정 결과

 

•    슬러리의 직류저항(DCR)은 도전재의 증가에 따라 서서히 감소하다가 약 2% 부근에서 급격히 감소

•    동시에 Rratio*가 크게 상승하여 도전 네트워크의 기여도가 증가

•    전극 시트에서도 동일한 조성 영역에서 합재층 저항률과 계면 저항이 감소

 

*: Rratio(저항비)는 슬러리 전체 저항 중 도전재 네트워크가 차지하는 비율을 나타내는 무차원 지표로, 0~1의 범위를 가집니다. 값이 높을수록 도전 네트워크의 기여도가 크다는 것을 나타냅니다.


 

관찰된 경향

 

•    DCR 및 Rratio의 급격한 변화는 도전 네트워크의 전환을 시사

•    전극 저항도 같은 영역에서 최소값을 보이며, 슬러리 구조가 전극에 반영되고 있음을 시사

 

 

고찰

 

도전재의 퍼콜레이션 임계값은 약 2% 정도로 추정됩니다. 이 조건에서 연속적인 도전 네트워크가 형성되며, 이는 전극 시트 내에서도 유지됩니다. 즉, 이 조성은 도전성과 활물질량의 균형을 가장 효율적으로 실현하는 최소 첨가량이라고 볼 수 있습니다. 이 결과를 통해 슬러리 해석 시스템을 이용하여 도전재 양과 도전 네트워크 형성 간의 관계를 슬러리 단계에서 파악하고, 전극 저항 측정 시스템을 통해 해당 네트워크가 전극 시트 내에서 어떻게 유지되며 최종 저항 특성에 어떻게 반영되는지를 정량적으로 확인할 수 있음이 입증되었습니다. 두 시스템을 병용함으로써 슬러리 배합부터 전극 시트 특성에 이르기까지 일관되게 평가할 수 있으며, 전극 설계의 상류 공정에서 최적화를 대폭 효율화할 수 있습니다.

 

 

 

정리 

고성능 배터리 전극을 실현하기 위해서는 도전재 양의 최적화가 필수적입니다. 그러나 기존의 하류 공정 평가 중심 방식은 비효율적이며 비용도 많이 듭니다. 슬러리 해석 시스템 SA2634와 전극 저항 측정 시스템 RM2610을 결합함으로써, 슬러리부터 전극 시트에 이르는 전기적 특성을 직접적이고 정량적으로 평가할 수 있습니다. 이러한 상류 공정에서의 평가 접근 방식은 개발 효율과 최적화 정밀도를 모두 높여줍니다. 배터리 개발 가속화와 비용 절감을 목표로 하는 연구개발 팀에게 이 솔루션은 큰 가치를 제공합니다.

 

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