수계 바인더를 이용한 수계 아연이온 배터리용 후막 전극에 관한 연구

Abstract

현재 수계 아연이온 배터리는 고정식 ESS를 위한 유망한 에너지 저장 장치로 떠오르고 있다. 그러나 리튬이온 배터리와 비교하여 상대적으로 낮은 면적당 용량으로 인해 광범위한 상업적 활용이 제한되고 있다. 기존에 제안된 해결책 중 하나는 전극의 두께를 늘리는 것이지만, 이러한 접근 방식은 소수성의 polyvinylidene fluoride(PVdF) 바인더를 사용하는 전극에 대하여 수계 전해액의 낮은 함침성으로 인하여 성능이 저하될 수 있어 활물질의 전체적인 전기화학적 반응에 대한 참여를 제한한다. 또한 망간계 산화물 활물질의 낮은 전기 전도도(10-5~10-6 S/cm)는 후막 전극을 수계 아연이온 배터리에 활용하는 것을 어렵게 한다. 따라서 이 연구에서는 전극에 친수성을 부여하기 위해 carboxymethyl cellulose(CMC)와 styrene-butadiene rubber(SBR)을 바인더로 사용했으며 manganese oxide의 낮은 전기 전도도를 극복하기 위하여 single-walled CNTs(SWCNT)를 활용하였다. 이때 전극의 접촉각은 PVdF 바인더 적용 전극 대비 122.4 °에서 56.5 °로 65.9 °가 감소했으며 전극의 체적 저항률 및 계면 저항은 PVdF 바인더를 적용한 전극에 비하여 각각 약 10 배와 약 4 배 적은 수치를 달성할 수 있었다. 또한 길이가 긴 SWCNTs의 첨가로 인하여 전극의 접착력이 PVdF 적용 전극 대비 약 1.4 배 증가하였다. 전기화학 평가에서는 0.1 A/g(0.5 C- rate) 충전 및 0.2 A/g(1 C-rate) 방전 과정으로 200 cycle 이후 capacity retention이 PVdF 바인더는 46.14%, SBR/CMC 바인더는 74.02 %, SBR/CMC + SWCNTs 바인더는 81.69 %으로 수계 바인더 시스템에 SWCNTs까지 추가했을 때 가장 높은 용량 유지율을 달성할 수 있었다. Rate capability test에서도 SBR/CMC+SWCNTs를 적용했을 때 모든 전류밀도 구간에서 가장 높은 성능을 달성하였다. 그리고 0.6 A/g(3 C-rate)의 전류밀도로 2000 cycle 고속 충방전을 진행했을 때도 마찬가지로 SBR/CMC + SWCNTs 바인더가 가장 높은 용량 유지율을 나타내었다. Galvanostatic intermittent titration technique(GITT) 시험을 통하여 cell의 overpotential과 IR drop의 크기를 비교 분석하였다. 이 때 SBR/CMC+SWCNTs 바인더의 overpotential의 크기가 PVdF 바인더보다 훨씬 적은 수치를 나타내었다. 최종적으로 SBR/CMC+SWCNTs 바인더가 전극의 전해액 함침성 및 전기전도도를 개선시켰으며, 전기화학적 성능도 기존의 PVdF 바인더 대비 우수한 성능을 나타내었다.