압축효과가 발표금속에 채워진 양극의 전기화학적 성능에 미치는 영향

Abstract

리튬 이온 배터리는 1990년대 이후로 많은 연구가 되어 왔다. 리튬 이온 배터리는 다른 2차 배터리에 비해 에너지 밀도가 높고 출력 특성도 우수하기 때문에 휴대용 전자기기에 쓰이고, 더 나아가 드론이나 전기자동차(Electrical Vehicle)에도 사용 할 수 있도록 연구를 하고 있다. 하지만 실제로 대용량 에너지 저장장치를 구축하기 위해서는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도와 전기화학적 특성이 더 향상되어야 한다. 시중에 사용되고 있는 배터리는 포일형 집전체를 사용한다. 하지만 포일형의 단점은 활물질을 두껍게 쌓아 용량을 크게 만들기 힘들다는 점이다. 휴대용 전화기기에 사용되는 배터리의 활물질의 두께는 60~80μm정도 되고, 높은 출력특성을 갖는 배터리를 만들기 위해서는 활물질 두께가 20~60μm 정도로 더 얇다. 포일형 집전체 배터리의 용량을 크게 하기 위해서는 넓게 만들어야 하며, 반응에 직접적으로 참여하지 않는 집전체와 분리막의 량이 많아지고, 이는 무거워지고 더 크기가 크게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 발포 금속(Metal Foam)을 양극(Cathode)으로 이용해서 연구를 하게 되었다. Cell size 450um에 두께 1.6mm 크기의 NiCrAl foam를 사용하여 다섯 가지 종류의 Metal Foam Cathode를 제조하였다

Metal foam을 1.6mm에서 0.5mm로 압축(Press) 후 슬러리 형태로 만든 활물질을 채운 것, 1.6mm 두께에서 활물질을 채워 넣고 0.5mm로 Press한 것, 1.6mm에서 활물질을 채워 넣고 firing 한 후에 0.5mm로 Press한 것, 1.6mm 두께에 활물질을 채우고 press가 없는 것, 그리고 0.5mm로 연마를 한 후 활물질을 채운 것을 만들었다. 이 다섯 가지 양극을 제작하여 전류별 충방전 실험(Charge-Discharge Testing), Charge-rate 충방전 실험, 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry Analysis) 그리고 교류저항분석법(AC Impedance Analysis) 측정을 하여 전기화학적 특성을 분석하였다. Press를 제작 과정 중에 언제 하느냐에 따라 성능이 다르게 나왔다. 활물질을 채우기 전에 metal foam을 press한 양극이 소자 저항(Bulk Resistance)이 4.6Ω 그리고 전하이동저항(Charge Transfer Resistance)은 4.0Ω으로 가장 작게 나타났다. 전류 별로 단위 무게당 용량 또한 가장 컸고 kinetic performance를 알 수 있는 Cyclic Voltammetry에서도 최대 전류(Peak current)가 0.3A/g으로 가장 크게 나왔다. Press를 하지 않은 양극은 두껍고, 리튬이 확산하는 이동거리가 길기 때문에 소자 저항은 9.6Ω, 전하이동저항은 11Ω으로 가장 크게 나왔다. 같은 두께로 연마를 한 양극보다는 metal frame이 많기 때문에 삼중 접합(Triple Junction)이 많아 반응이 더 빠르게 진행된다. 이 결과, metal foam을 1.6mm에서 0.5mm로 누르고 활물질을 채운 양극이 가장 좋은 성능을 보여주었다. 본 논문을 토대로, Press Effect에 대한 연구이며, Metal Foam 의 무게와 단가를 낮추면, 고용량 리튬 이온 배터리의 상업적 응용에 유망한 집전체 중의 하나가 될 것이다.