전기영동 동시전착을 이용한 활물질과 결합제가 포함된 음극 제작 및 성능 평가

Abstract

리튬 이온전지는 점점 더 많은 어플리케이션에 적용되고 있다. 최근에는 간단한 형태를 가지며 공간에 제약이 없는 전자기기뿐만 아니라 작고 여유 공간이 부족한 부분에도 배터리가 적용되기 위하여 과거에는 시도되지 않았던 다양한 모양의 배터리가 개발되고 있다. 복잡한 형상의 배터리나 전극을 만드는데 기존의 전극 형성 방식인 전극 물질을 용매와 잘 섞어 슬러리를 형성한 후 집전체 위에 도포하는 방법은 부적합하다. 이러한 이유로 새로운 방식의 전극 형성 방법이 필요하다고 생각되었고 복잡한 표면에도 적용이 가능한 전기영동전착 방식을 전극 제작 방식으로서 사용하게 되었다. 앞선 연구들이 이 방식을 이용하였으나, 활물질 혹은 활물질과 도전재만을 전착하여 결착력을 확보하지 못하였으며 이는 이 방식의 한계로 대두되어 왔다. 본 연구에서는 입자뿐만 아니라 고분자를 함께 전착함으로써 일반 전극과 같이 바인더가 포함된 시스템을 구성하였다. 또한 이 전극을 전기영동방식을 통해 활물질로만 구성된 전극과 비교 분석함으로써 시스템의 장점을 확인하고자 하였다. 활물질은 충방전 시 부피변화가 큰 실리콘을 사용하여 바인더 적용에 따른 효과를 최대한으로 비교해 보고자 하였다. 바인더로 사용한 키토산은 바인더로서의 특징을 가지며 전기영동전착 방식에 적용이 가능함을 확인하였고, 활물질 또한 물리적, 화학적 성질이 변하지 않고 전착 가능함을 확인하였다. 다음으로 활물질로 사용한 실리콘과 바인더로 사용한 키토산을 함께 분산시켜 주었을 때 표면전하의 측정을 통하여 실리콘과 키토산의 전착 현상에 대해 예상해 볼 수 있었다. 이를 바탕으로 실리콘과 키토산의 비율, 전착 시간을 달리해가며 활물질과 바인더 간의 비율, 전착량의 경향성을 확인하였으며 실리콘 단독 전착보다 훨씬 좋은 질과 양적 개선을 이루어낼 수 있었음을 확인하였다. 마지막으로 전극을 실제로 구동시켰을 때 바인더와 함께 전착된 실리콘 전극이 실리콘만으로 이루어진 전극에 비하여 수명성능이 우수함을 확인하였다. 이를 통해 결착력을 확보하지 못한다는 한계점을 지녔던 전기영동전착 방식의 문제점을 해결하고 이 방식을 통해서도 바인더가 포함된 전극을 만들 수 있다는 사실을 확인하였다.