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문제 정의
- 9(a)는 3D프린터를 이용해 제작한 마이크로 배터리의 SEM 이미지를 보여준다. 마이크로 3D프린팅 전극 제작을 위해 이 연구에서는 건조와 열처리 후에도 정교한 라인을 유지하고자 조성과 잉크 점도의 최적화를 진행하였다.[13] 정밀도 향상을 위해 잉크를 만들기 전 모든 분말은 원심분리기를 이용해 300 nm 이상의 크기를 갖는 입자를 모두 제거하여 노즐이 막히는 현상을 방지하였으며, LTO 57 wt%, LFP 60 wt %의 조건에서 3D프린팅에 적합한 점도인 shear rate 1s-1에서 103 ~ 104의 점도를 나타냄을 확인하였다.
- 전극구조를 3차원의 그물망 형태로 연결된 기공 구조로 설계할 경우 두꺼운 전극에서도 리튬이온의 빠른 이동 통로를 제공하여 고성능의 고에너지밀도의 전극을 구현할 수 있다. 본 기고에서는 이러한 전극 구조 제어를 통한 고에너지밀도의 배터리 성능향상에 대해 수식기반의 이론적 접근과 실제 전극 내 기공을 형성하기 위한 실험적 접근에 대해 기술하고자 한다.
- 하지만 c-rate가 증가할수록 (Cs,a)는 점점 감소하는 현상을 보이는데 이는 높은 전류밀도에서 (Cs,s)가 포화 값으로 빠르게 증가하여 cutoff 전압에 도달하기 때문이며 결국 (Cs,s)와 (Cs,a)의 차이가 활물질의 underutilization을 초래함을 알 수 있다. 본 연구는 단위면적당 활물질의 로딩레벨이 높을수록 전극 내의 underutilization 증가와 분극화 유발을 증명하여 단순한 전극구조에서의 고에너지밀도와 고속충전의 상충관계를 뒷받침하였다.
- 4 m2/g) 비해 훨씬 크기 때문이다. 이 결과는 단순구조의 전극에서 단위면적당 활물질의 로딩레벨이 높을 때 나타나는 전기화학적 특성 열화를 전극 내부 저항 증가를 통해 뒷받침하여 고에너지용 단순구조 전극의 성능 저하에 대한 포괄적인 이해를 돕는 의미있는 연구이다.
- 39 mA/cm2 전류 밀도에서는 집전체에 맞닿은 부분, 즉 전극의 표면에서 멀어질수록 리튬이온의 농도 구배가 커지며 전해질 내 리튬이온 결핍 현상이 발생하여 저항이 급속하게 증가하여 리튬이온은 존재하나 배터리 구동에 참여하지 못하는 dead zone이 된다. 이 연구는 두꺼운 상용 단순 전극 내 이온농도구배가 발생하고 이로 인해 저항이 증가함을 수식으로 증명하여 전극 구조 제어의 필요성을 보여준 최초의 연구이다.
가설 설정
- C/5에서는 모든 전극 두께에서 (Cs,s)와 (Cs,a)의 차이가 거의 나지 않으며 이는 Fig. 3(b)의 C/5에서 60um~240um의 전극두께에서 방전용량의 변화가 없는 결과와 잘 일치한다. 하지만 c-rate가 증가할수록 (Cs,a)는 점점 감소하는 현상을 보이는데 이는 높은 전류밀도에서 (Cs,s)가 포화 값으로 빠르게 증가하여 cutoff 전압에 도달하기 때문이며 결국 (Cs,s)와 (Cs,a)의 차이가 활물질의 underutilization을 초래함을 알 수 있다.
- 1C에 모든 두께에서 최대 방전용량값을 냈으나 빠른 c-rate 구간에서는 전극이 두꺼워 질수록 급격한 방전용량 감소를 보였다. 방전속도와 전극 두께 간 상관관계를 나타내기 위하여 0.1C에서 갖는 최대 방전용량 대비 약 70~80% 방전용량을 갖는 지점을 최대 방전속도로 가정하였다. 25 um 두께를 갖는 NCM와 LFP 전극의 최대 방전속도는 10C와 20C였지만 두께가 100 um로 증가할 경우 NCM과 LFP 전극 모두 약 2C 부근에서 급격한 용량 감소를 보였다.
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