정전분사법을 이용한 탄소나노튜브 도전재 분산과 이를 통한 리튬이온 배터리용 LiFePO4 양극 후막전극 제조 및 전기화학 특성 평가

Abstract

후막전극의 개념은 일반적으로 상용전극 기준 면적당 용량이 5~6 mAh cm-2 이상이 되는 전극을 의미한다. 전극의 두께를 높이게 되면 셀 내부에서 에너지밀도에 직접적으로 기여하지 않는 집전체, 분리막과 같은 수동부품의 비율을 줄일 수 있어 차세대 리튬 이온배터리가 요구하는 조건을 충족할 수 있는 방안으로 여겨진다. 하지만 전극의 두께가 두꺼워지면 전하의 이동 경로가 증가하여 내부 저항이 커지게 되어 전극 전체에서 전기화학반응이 균등하게 일어나지 않는 문제가 있다. 따라서 일부 전극이 반응에 참여하지 못하게 되고 상대적으로 반응에 많이 노출된 전극 표면 부분에서 열화가 급격하게 일어나 전극의 failure 가 발생하게 된다. 이를 개선하기 위해 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT) 도전재의 도입이 제시되었다. CNT 는 1 차원 구조를 갖는 나노물질로, 높은 종횡비와 전자전도도를 가지기 때문에 전극의 출력특성을 향상시킬 수 있으며 전극의 전반적인 전기화학반응 구동력을 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 비표면적을 가지고 있기 때문에 기존의 카본블랙 도전재와 비교했을 때 더 적은 양으로 동일한 성능을 구현할 수 있는 장점이 있다. 하지만 CNT 가 가지는 고유 특성인 1 차원 나노구조로 인해, 나노튜브의 축방향으로 강한 반데르발스 상호작용이 발생하여 CNT 끼리 응집되는 현상이 일어난다. 따라서 물리적 또는 화학적으로 분산시키는 과정이 동반되어야 한다. 본 연구에서는 정전분사법을 이용하여 CNT 를 분산시켰다. 동시에 활물질로 사용되는 LiFePO4(LFP)를 함께 분사하여 활물질에 도전재가 선분산되어있는 복합체형태를 구현하였다. 이렇게 얻어진 활물질-도전재 복합체를 습식공법을 이용하여 후막전극으로 제조하였을 때 균일한 분포를 나타내는 것을 확인하였다. 전기화학평가 결과 전극 내부 저항이 완화되고 리튬이온의 확산성이 향상된 것이 나타났다. 결과적으로 0.1C rate 에서 8.26 mAh cm-2, 0.3C 에서 7.27 mAh cm-2 의 용량을 보이는 LFP 후막전극을 구현하였다. 추후 이러한 활물질-도전재 선분산 개념을 차세대 이차전지 기술인 건식공법에도 적용하여 고질적인 문제점인 불균일한 합제 분포를 해결할 수 있을 것으로 기대한다. 핵 심 낱 말 : Thick electrode, LiFePO4, Electrospray, Carbon nanotubes, Li-ion batteries