천연 및 인조 흑연을 포함한 리튬이온 배터리 음극 슬러리의 신장 유변물성 연구

Abstract

구리 및 알루미늄 호일의 전류 집전체에 전극 슬러리를 코팅하는 것은 리튬이 온 배터리(Li-ion batteries; LIBs)의 대규모 생산에 있어서 매우 중요하다. 일반 적으로 전극 슬러리는 음극과 양극의 조성이 다른데, 음극 슬러리의 경우 활물질 인 흑현, 도전재인 카본 블랙 및 고분자 바인더를 높은 체적 비율로 용매인 물에 분산시켜 제조한다. 전극 슬러리의 비뉴턴 유변학적 거동을 분석하고 이해하는 것은 LIBs의 성능과 생산성을 향상시키기 위해 중요하다. 하지만, 전극 슬러리의 유변 물성관련 대부분의 선행 연구들은 전극 슬러리의 전단 유변학적 분석에 초 점을 맞추어 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 전극 코팅 공정에서 슬러리가 슬롯- 다이 코터(Slot-die coater)의 매니폴드(manifold)에서 슬롯 부분으로 흘러 들어 갈 때 발생되는 수축 유동과 간헐 코팅(intermittent coating) 과정에서 수반되는 신장 유동장은 이차 전지 제조 공정의 안정성에 크게 영향을 미친다. 본 연구는 Stop-flow dripping-onto-substrate/capillary break-up rheometer(SF-DoS/CaBER)를 사용하여 음극 슬러리의 신장 유변학적 물성을 분석하였다. SF-DoS/CaBER법은 기존 상업용 CaBERTM와 달리 초기 변형 단 계 (initial step strain)에 의한 미세구조의 손상이 존재하지 않는다는 점과, 저점 도, 저탄성 유체의 경우에는 중간에 끊김 없이 신장 유변 물성을 측정할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 DoS-CaBER를 통해 고점도 슬러리를 시린지 펌프 를 이용하여 유동 이력을 제어할 경우 슬러리가 노즐부분에서 흘러나와 정확한 신장 유변 물성을 측정하기 힘들다는 것을 체계적으로 분석하였다. 본 연구에서 는 도전재, 바인더 농도, 그리고 활물질의 종류(인조 및 천연 흑연)이 음극 슬러 리의 신장 유변학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 음극 슬러리의 바인더 농 도나 카본 블랙의 증가는 높은 전단 변형률부터 낮은 전단 변형률까지 측정한 전 단 유변 물성인 점도를 증가시켰다. 또한, 신장 유변 물성도 농도가 증가함에 따 라 음극 슬러리의 핀치-오프(pinch-off) 시간이 증가하며, 핀치-오프 근처에서 power-law 모델의 지수 값이 급격하게 변한다는 것을 관찰했다. 또한, 인조 흑 연이 천연 흑연보다 질량 분율이 높아질수록 점도가 증가하고, 핀치-오프 시간 과 핀치-오프 근처에서 power-law 모델의 지수 값이 변한다는 것을 관찰했다. 이러한 연구 결과들은 LIBs 음극 슬러리의 유변학적 특성을 이해하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 주제어: SF-DoS/CaBER, 리튬 이온 음극 슬러리, 슬롯-다이 코팅, 신장 유변물 성