전해액 첨가제 최적화를 통한 Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 + Graphite/SiO(10wt%) 파우치 셀의 성능향상 연구

Abstract

이차전지 기술 동향은 기존의 휴대폰, 노트북, 전동공구 등 소형 시장에서 전기자동차, ESS(Energy storage system) 등의 중대형 시장으로 빠르게 확대되고 있다. 중대형 어플리케이션에서는 소형처럼 전지의 교체 주기가 짧지 않고 고가이기 때문에 기존에 기본적으로 요구되었던 에너지밀도 특성 외 수명 특성이 매우 중요해졌다. 또한, 전지 자체의 용량 증가에 따른 사고 예방을 위한 안전성 특성 및 전기자동차, PAV(Personal air vehicle) 등에 필요한 고출력 특성도 요구되고 있다. 이러한 수요를 만족하기 위해 대부분의 전지에는 삼성분계(Ni, Co, Mn) 양극과 흑연계 음극을 적용하고 있다. 하지만 중대형 어플리케이션이 에너지밀도의 한계에 부딪히며, 고에너지밀도 전지를 만들기 위해 High-Ni계 양극 및 실리콘이 첨가된 흑연 음극을 적용하는 추세이다. 과 같이 실리콘을 5wt% 이상 첨가하는 전지는 차세대 기술로 분류한다. 차세대 기술로 분류하는 이유는 실리콘의 이론용량이 흑연에 비해 매우 크지만, 이에 따른 부피 변화도 커서 SEI(Solid electrolyte interphase) 손상에 따른 성능 열화 문제가 심각하며 이러한 문제를 아직 해결하지 못했기 때문이다. 상기 문제를 전해액 첨가제로 개선하고 전지 성능을 향상하기 위해 본 연구를 진행하였다. 또한, 기존의 연구는 대부분 lab scale 전극 및 coin half cell 평가로 진행되었기 때문에 상용 전지에 적용하는 데 어려움이 있었다. 연구에 대한 성과를 상용 전지에 적용하기 위해 평가 신뢰성이 높은 pilot scale 전극 및 pouch full cell을 적용하였다. 전극은 pilot scale(30L급 P/D Mixer 및 Slot die coater)로 제작하였으며, 양극으로는 삼성분계인 NCM811 [Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2]을 적용하였고, 음극으로는 실리콘일산화물(SiO)이 10wt% 첨가된 흑연을 적용하였다. 평가는 coin half cell 및 pouch full cell로 진행하였다. 연구 결과 실리콘이 첨가된 흑연 음극을 적용한 전지에 전해액 첨가제인 FEC(Fluoroethylene carbonate)를 10wt% 첨가하면 전기화학적 성능이 향상되며, 수명 열화가 상당히 개선되는 것을 확인하였다. 또한, 전해액 첨가제 DMAA(N,N-Dimethyl acrylamide)를 2.5wt% 추가로 첨가하면 출력과 수명성능이 향상되는 것을 확인하였다.