[논문]바인더 함량에 따른 Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2 전극의 접착력 및 전기화학 성능에 관한 연구

노영준; 변승우; 유명현; 이용민

doi:10.5229/jkes.2018.21.3.47

바인더 함량에 따른 Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2 전극의 접착력 및 전기화학 성능에 관한 연구
Adhesive Strength and Electrochemical Properties of Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2Electrodes with Lean Binder Composition 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.21 no.3, 2018년, pp.47 - 54

노영준 (대구경북과학기술원 에너지공학전공) , 변승우 (대구경북과학기술원 에너지공학전공) , 유명현 (한밭대학교 화학생명공학과) , 이용민 (대구경북과학기술원 에너지공학전공)

초록
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동일 전극 로딩 조건(${\sim}15mg\;cm^{-2}$)에서 면적당 용량($mAh\;cm^{-2}$)을 극대화하기 위해, 고분자 바인더의 함량을 4, 2, 1 wt%로 줄인 $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$ 전극을 제조하였다. 바인더 함량이 1 wt%로 낮춘 경우, 압연 후 펀칭 과정에서 전극 코팅층이 부분적으로 박리되는 문제가 발생하여 추가 분석은 진행되지 않았다. 전극 내 바인더 함량을 4 wt%에서 2 wt%로 줄이면, 계면 접착력은 0.4846에서 $0.2627kN\;m^{-1}$로 약 46% 감소하고, 전극 코팅층의 강도도 3.847에서 2.013 MPa로 약 48%가 떨어졌다. 그러나, 두 전극을 리튬 전극과 반쪽 전지로 구성하여 전기화학적 특성을 살펴보면, 초기 방전 용량과 충방전 효율은 유사하였다. 하지만, 단기 수명 평가에서 2 wt% 바인더 전극은 수명 특성이 떨어질 뿐만 아니라, 전지를 분해하는 과정에서 전극 코팅층이 집전체에서 박리되는 현상이 관찰되었다. 반면, 4 wt% 바인더 전극은 높은 전극 로딩조건에서도 전극 코팅층과 집전체 계면이 잘 유지되고 있음이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To maximize the areal capacity($mAh\;cm^{-2}$) of $LiNi_{0.5}Co_{0.2}Mn_{0.3}O_2$(NCM523) electrode with the same loading level of $15mg\;cm^{-2}$, three NCM523 electrodes with 4, 2, and 1 wt% poly(vinylidene fluoride)(PVdF) binder content are fabricated. Due to the delamination issue of electrode composite at the edge during punching process, the 1 wt% electrode is excluded for further evaluation. When the PVdF binder content decreases from 4 to 2 wt%, both adhesion strength and shear stress decrease from 0.4846 to $0.2627kN\;m^{-1}$ by -46% and from 3.847 to 2.013 MPa by -48%, respectively. Regardless of these substantial decline of mechanical properties, their initial electrochemical properties such as initial coulombic efficiency and voltage profile are almost the same. However, owing to high loading level, the 2 wt% electrode not only exhibits worse cycle performance than the 4 wt% electrode, but also cannot maintain its mechanical integrity only after 80 cycles. Therefore, if the binder content is reduced to increase the area capacity, the mechanical properties as well as the cycle performance must be carefully evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 바인더 함량이 감소함에 따른 초기 충방전 효율, 구현 방전 용량, 수명 특성 등을 비교함으로써 최소 바인더 함량 결정에 요구되는 분석을 진행하였다. 또한, 수명 평가 후 전극 구조 변화를 관찰하여, 전극 바인더 함량 최소화 수준을 제시하고자 한다.
본 연구는 높은 수준의 전극 로딩에서 바인더 함량감소가 전극의 접착력 및 전극 강도에 미치는 영향을 보고한다. 특히, SAICAS란 분석 장비를 이용하여 전극 깊이에 따른 접착력을 정밀하게 측정함으로써, 전극 바인더 함량이 전극 내부뿐만 아니라 전극/집전체 계면에서의 접착 특성을 지배하고 있음을 확인하였다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523) 전극에서 Poly(vinylidene fluoride) 바인더 함량을 4, 2, 1 wt% 낮춰 제조한 후, 전극 내 깊이 별 접착력뿐만 아니라 전극 강도를 자세히 분석하였다. 특히, 바인더 함량이 감소함에 따른 초기 충방전 효율, 구현 방전 용량, 수명 특성 등을 비교함으로써 최소 바인더 함량 결정에 요구되는 분석을 진행하였다.
바인더 함량에 따른 Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3) O₂(NCM523) 복합전극의 접착 및 기계적 물성 비교를 위해 각각 1, 2, 4 wt%의 바인더 함량을 가지는 전극을 제조하였다. 이 후 바인더 함량에 따라 복합전극의 구조 유지 특성을 확인하기 위해 Optic Microscope를 이용하여 제조 단계별 전극의 형상을 Fig.
3O₂(NCM523) 전극에서 Poly(vinylidene fluoride) 바인더 함량을 4, 2, 1 wt% 낮춰 제조한 후, 전극 내 깊이 별 접착력뿐만 아니라 전극 강도를 자세히 분석하였다. 특히, 바인더 함량이 감소함에 따른 초기 충방전 효율, 구현 방전 용량, 수명 특성 등을 비교함으로써 최소 바인더 함량 결정에 요구되는 분석을 진행하였다. 또한, 수명 평가 후 전극 구조 변화를 관찰하여, 전극 바인더 함량 최소화 수준을 제시하고자 한다.

대상 데이터

양극 활물질로 Li(Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3)O₂(NCM523, NE-X10S, Particle Size: 11 µm, L&F Co., Ltd., Korea)를 사용하였고, 바인더로는 N-Methyl-2-pyrrolidone(NMP, Sigma-Aldrich, USA)에 녹인 10 wt% Polyvinylidene Fluoride(KF1300, Mw = 350,000, Kureha, Japan) 용액을 사용하였으며, 도전재로는 전도성 탄소물질(Super P Li®, Imerys, Belgium)을 사용하였다. 위의 혼합물을 NMP를 용매로 사용하여 전극 슬러리를 제조하였고, 이를 닥터블레이드로 알루미늄 집전체(Al Foil, 15 µm, Sam AAluminum, Korea)에 캐스팅하였다.
전지 전기화학 특성 및 신뢰성 평가를 위해 반쪽전지 형태의 2032-type 코인셀을 제조하였다. 리튬금속(Lithium, Thickness: 200 µm, Diameter: 16.

데이터처리

이와 같은 전극 구조 변화를 확인하기 위해, 충방전 평가가 종료된 전극의 형상 및 미세 구조 변화를 Optical Microscope와 SEM을 이용하여 분석하였다. Fig.

이론/모형

바인더 함량에 따른 복합전극 내 구성원소간, 복합전극층과 집전체간 계면 접착특성을 측정하기 위해 SAICAS(Surface And Interfacial Cutting Analysis System, SAICAS-DN, Daipla Wintes, Japan)를 사용하였다. 접착특성 측정을 위해 Boron Nitride 칼날(칼날 너비: 1 mm, Rake Angle: 20º, Clearance Angle: 10º)을 수평으로 2 µm sec^-1, 수직으로 0.
제조된 NCM523 전극의 접착 및 기계적 강도를 정량분석하기 위해 SAICAS를 이용하였다. Fig.

성능/효과

83 MPa 크게 측정되었다. 따라서, 전극 내 바인더 함량이 전극 내 접착력뿐만 아니라 전극 강도도 높인다는 것이 확인되었다.
바인더 함량이 2 wt%인 전극은 전지 분해 과정에서 박리되지 않은 부분을 측정했음에도 불구하고, 미세하게 집전체로부터 박리된 부분이 관찰되었다. 바인더 함량이 4 wt% 인 전극은 전극/집전체 계면뿐만 아니라 전극 내부 구조가 잘 유지되어 있었다. 이러한, 전극 구조 유지 특성을 통해 이번 전극 설계에서 필요한 접착력이나 전극 강도 수준을 예상할 수 있다.
본 연구는 높은 수준의 전극 로딩에서 바인더 함량감소가 전극의 접착력 및 전극 강도에 미치는 영향을 보고한다. 특히, SAICAS란 분석 장비를 이용하여 전극 깊이에 따른 접착력을 정밀하게 측정함으로써, 전극 바인더 함량이 전극 내부뿐만 아니라 전극/집전체 계면에서의 접착 특성을 지배하고 있음을 확인하였다. 또한, 전지 평가를 통해 초기 특성의 차이는 미비하나, 수명 평가 과정에서 부족한 바인더 함량이 전극 복합층의 박리현상을 야기하고 있음을 보고하였다.

후속연구

또한, 전지 평가를 통해 초기 특성의 차이는 미비하나, 수명 평가 과정에서 부족한 바인더 함량이 전극 복합층의 박리현상을 야기하고 있음을 보고하였다. 따라서, 높은 전극 로딩과 낮은 바인더 함량의 리튬이온전지 전극 설계에서, 전극 내 접착 특성 분석이 면밀히 분석되어야 함을 제안한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전극의 표면 및 단면 몰폴로지와 조성 분석을 위해 사용한 장비는 무엇인가?	전지 수명평가 전/후 전극의 표면 및 단면 몰폴로지와 조성 분석을 위해 EDX(Energy-dispertive X-ray Spectroscopy) 검출기가 장착된 전계 방출 주사 전자현미경(FE-SEM, Hitachi S-4800, Hitachi, Japan)을 사용하였다. 특히, EDX의 원소 Mapping을 통한 바인더 함량이 다른 전극의 단면 시편을 제조하였는데, 2.
	전극 및 전지 설계를 개선하려는 연구가 적극적으로 진행 중인 이유는 무엇인가?	1991년 리튬이온전지 상용화 이후 수많은 연구자들은 새로운 고용량 전극활물질을 찾기 위해 끊임없는 노력하고 있다. 그럼에도 불구하고, 실제 상용화까지 성공한 전극 활물질은 매우 제한적이다. 대표적으로 LiCoO2의 층상구조를 유지하면서 Co를 Ni과 Mn으로 부분 치환하여 개발된 LiNixCoyMn1-x-yO2는 기존 150 mAh g-1 수준의 비용량을 200 mAh g-1로 향상시킨 예가 있다.9-12) 그러나, 소재 관점에서는 상당한 증가이나, 소비자의 높은 기대를 만족시키는 데는 부족한 실정이다. 이를 보완하기 위한 전극 및 전지 설계를 개선하려는 연구도 더욱 적극적으로 진행 중이다.
	리튬이온전지는 특징은 무엇인가?	리튬이온전지는 가장 높은 중량당 그리고 부피당 에너지밀도로 인해, 휴대용 전자기기뿐만 아니라 전기자동차의 핵심 전원장치로 폭넓게 사용되고 있다.1-3) 그러나, 무선 통신 속도가 빨라지고 통신량 또한 크게 증가하고 있으며, 일 충전 주행거리 증대에 대한 소비자의 요구가 높아짐에 따라, 전지의 에너지밀도를 조금이라도 높이기 위한 연구와 개발은 전세계적으로 더 치열하게 진행되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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