A Study on the Performance of Lithium ion Battery with Electrode Composition Change

Abstract

리튬이차전지시장이 소형 IT 기기분야에서 최근 중대형시장으로 급속 성장함에 따라 분야에 따른 전지의 요구 특성이 다양해 졌다. 이에 따라 각 용도에 맞는 전지시스템이 최적화 되어야 한다. 전지시스템이 최적화 되지 않을 경우 전지의 용량이나 수명 등에 영향을 미치게 되며, 이는 전지를 사용하는 기기들의 문제점을 야기 시킨다. 전지시스템의 최적화에는 여러 가지 방법이 있으나, 이번 연구에서는 전극의 조성의 변화, 바인더 및 도전재 종류의 변경 등을 통하여 전지성능을 평가하고자 한다. 우선, 양극전극 2종과 음극전극 2종의 전극을 제작하여 총 4가지 타입의 700mAh급 pouch type full cell을 만들었다. 특히 음극에 사용된 바인더의 경우 수계(CMC/SBR))와 유기계(PVDF)로 나누어 극판을 제작하였으며, 양극의 경우 Graphite계와 Carbon black계의 도전재를 사용함으로써 각각의 소재사용과 조성이 미치는 영향을 전기화학적/물리적 평가를 통해 분석하였다. 평가는 dQdV, 초기용량, 율특성, 수명평가(고온, 상온), 저온방전특성평가, Swelling 평가를 수행하였다. 전지시스템 최적화를 위한 평가결과 고온수명의 경우 인조흑연-유기바인더 기반으로 제작된 음극을 사용한 전지가 더 높은 용량유지율을 보였다. 또한 수계바인더(CMC/SBR)를 사용한 전지는 모두 고온에서 Swelling 현상이 아주 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 수계바인더의 계면활성제로 사용되는 CMC의 -OH 작용기가 전지내의 전해액과의 반응으로 가스를 발생시켜 부피팽창을 야기시키는 것으로 보인다. 본 전지최적화 평가를 통해 수계바인더를 적용한 음극을 사용시에는 양극에 carbon black계 도전재만을 사용하는 것이 좋은 성능을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 이와 반대로 유기계바인더를 적용한 음극을 사용시에는 carbon black계 도전재와 graphite계 도전재를 혼합하는 것이 더 좋은 성능을 나타냈다. 결과적으로 후보군 1과 후보군 4가 각각의 전지시스템에서 최적의 성능을 나타내었다.| As the lithium secondary battery market has rapidly grown from the small IT device field to the medium and large market, the demand characteristics of the batteries have been diversified according to the field. Accordingly, the battery system for each application should be optimized. If the battery system is not optimized, it affects the capacity and cycle of the battery, which causes the problem of the battery-powered devices. There are many ways to optimize the battery system, but this study aims to evaluate the battery performance by changing the composition of the electrode and the type of binder and conductive material. First, two types of anode and cathode electrodes each were fabricated to make four types of 700mAh pouch type full cell. In particular, the binder used for th anode electrode was divided into water-based(CMC/SBR) and organic(PVDF) binder to produce a electrode. For the cathode electrode, graphite type and carbon black type conductive materials were used to affect the used and composition of each material. The impact was analyzed through electrochemical/physical evaluation. As a result of evaluation for the battery system optimization, the battery using the anode electrode manufactured based on artificial graphite-organic binder showed higher capacity retention at high temperature life. HT(Hot Temperature) storage evaluation, PVDF binder-containg cells have less swell than the CMC/SBR binder-containing electrodes because the hydroxyl groups of the CMC causes to the gas production by the reaction with the electrolyte at HT. As a result, candidate 1 and candidate 4 battery system are the optimal composition of each.