[논문]3차원 구조 모델링을 이용한 활물질 입자 크기 및 전극 밀도에 따른 복합 전극 내 물리적 특성 분석

양승원; 박주남; 변승우; 김나연; 유명현; 이용민

doi:10.5229/jkes.2020.23.2.39

3차원 구조 모델링을 이용한 활물질 입자 크기 및 전극 밀도에 따른 복합 전극 내 물리적 특성 분석
Physical Property Analysis of Composite Electrodes with Different Active Material Sizes and Densities using 3D Structural Modeling 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.23 no.2, 2020년, pp.39 - 46

양승원 (대구경북과학기술원 에너지공학전공) , 박주남 (대구경북과학기술원 에너지공학전공) , 변승우 (대구경북과학기술원 에너지공학전공) , 김나연 (대구경북과학기술원 에너지공학전공) , 유명현 (한밭대학교 화학생명공학과) , 이용민 (대구경북과학기술원 에너지공학전공)

초록
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이차전지용 전극은 일반적으로 전극 활물질, 도전재, 그리고 고분자 바인더가 혼합된 복합 전극의 형태를 갖는다. 따라서, 크기나 형태가 다른 각 성분의 조성 및 전극 내 분포에 따라 전극의 전기화학적 활성이 달라지게 되나, 이를 효율적으로 예측하고 설계하는 3차원 전극 구조 모델링 기술은 아직 활발히 연구되고 있지 못하다. 따라서, 본 논문에서는 3차원 구조 모델링 툴인 GeoDict를 이용하여, LiCoO₂ 전극 활물질 입자 크기와 복합 전극 밀도에 따른 입자 간 접촉 면적과 전기전도특성을 예측한 결과를 제시한다. 전극의 조성과 로딩은 LiCoO₂ : Super P Li^® : Polyvinylidene Fluoride (PVdF) = 93 : 3 : 4 (wt%)과 13 mg cm^-2로 고정하고, LiCoO₂ 평균 입경은 10 ㎛과 20 ㎛로 전극 밀도는 2.8 g cm^-3, 3.0 g cm^-3, 3.2 g cm^-3, 3.5 g cm^-3, 4.0 g cm^-3로 제어하여 가상의 3차원 전극 구조를 만들었다. 이 구조를 활용하여 LiCoO₂ 입경 증가에 따른 입자 간 접촉 면적 감소와 전기전도특성 증가 경향성이 정량화되었다. 또한, 전극 밀도가 증가함에 따라 입자 간 접촉 면적 및 전기전도특성 향상도 수치화 된 값으로 예상될 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 3차원 전극 구조 분석 기법을 이용하면, 더 효율적인 복합 전극 설계가 가능함을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Composite electrodes for rechargeable batteries generally consist of active material, electric conductor, and polymeric binder. And their composition and distribution within the composite electrode determine the electrochemical activity in the electrochemical systems. However, it is not easy to quantify the physical properties of composite electrodes themselves using conventional experimental analysis tools. So, 3D structural modeling and simulation can be an efficient design tool by looking into the contact areas between particles and electric conductivity within the composite electrode. In this study, while maintaining the composition (LiCoO2 : Super P Li® : Polyvinylidene Fluoride (PVdF) = 93 : 3 : 4 by wt%) and loading level (13 mg cm-2) of the composite electrode, the effects of LiCoO2 size (10 ㎛ and 20 ㎛) and electrode density (2.8 g cm-3, 3.0 g cm-3, 3.2 g cm-3, 3.5 g cm-3, 4.0 g cm-3) on the physical properties are investigated using a GeoDict software. With this tool, the composite electrode can be efficiently designed to optimize the contact area and electric conductivity.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. SEM images of LiCoO₂ particles; (a) KD-10 (D50 = 10 μm) and (b) KD-20 (D50 = 20 μm).
표 Table 1. Design parameters of LiCoO₂ electrode.
그림 Fig. 2. 3D microstructures of LiCoO₂ electrodes with different particle sizes (KD-10 and KD-20) and densities (2.8 g cm^-3, 3.0 g cm^-3, 3.2 g cm^-3, 3.5 g cm^-3, and 4.0 g cm^-3).
그림 Fig. 3. Schematic on how to calculate the electric conductivity of the electrode.
그림 Fig. 4. Calculated non-contact surface areas of LiCoO₂ particles (KD-10 and KD-20) as a function of electrode density.
그림 Fig. 5. Calculated contact surface areas between (a) LiCoO₂ and Super P Li^® conductor, (b) LiCoO₂ and PVdF binder, and (c) Super P Li^® and PVdF as a function of electrode density.
그림 Fig. 6. Calculated current density of the 3D electrode.
그림 Fig. 7. Calculated electric conductivities of LiCoO₂ electrode with different particle sizes (KD-10 and KD-20) and densities.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 LiCoO₂ 양극 설계에 있어서, LiCoO₂ 입자 크기 및 전극 밀도에 따른 3차원 전극 형성 및 물리적 특성 예측 결과를 보고하고자 한다. 특히, LiCoO₂ 입자에 따른 전기전도도 변화를 집중적으로 분석하기 위해 도전재의 함량을 3 wt%로 다른 구성 성분보다 낮췄다.

가설 설정

이런 단점을 보완하고 더 효율적인 복합 전극 설계를 위해서 GeoDict와 같은 3차원 전극 구조 형성 및 분석 모델링 및 시뮬레이션 툴을 사용할 수 있다. 전극 구성 물질과 함량, 그리고 설계 인자만 주어지면 3차원 전극 구조를 바로 그려낼 수 있으며, 물리적 특성을 바로 계산해 낼 수 있는 것이다.
전극 활물질 입경은 Umicore사의 LiCoO₂ KD-10 (D50 = 10 µm)와 KD-20 (D50 = 20µm)을 고려하여 설정하였다. 특히, 실제 입자의 형상을 반영하기 위해 각 활물질의 SEM image로 입경의 범위를 확인하고, 다면체인 LiCoO₂ 입자가 최대 입경과 최소 입경 사이에 균등하게 존재한다는 가정 하에 구조체를 형성하였다(Fig. 1).

제안 방법

이 구조를 이용하여, 전극 내입자간 접촉 면적을 정량화함으로써, 활물질 입자 크기 및 전극 밀도에 따른 접촉 면적 증감을 예측하였다. 또한, 전극의 두께 방향으로 전자 흐름을 유도하여, 전기전도도 변화도 살펴봄으로써 복합 전극의 물리적 특성 변화를 예측하였다.
0 g cm^-3로 달리한 3차원 전극 구조를 만들어 냈다. 이 구조를 이용하여, 전극 내입자간 접촉 면적을 정량화함으로써, 활물질 입자 크기 및 전극 밀도에 따른 접촉 면적 증감을 예측하였다. 또한, 전극의 두께 방향으로 전자 흐름을 유도하여, 전기전도도 변화도 살펴봄으로써 복합 전극의 물리적 특성 변화를 예측하였다.
자세한 전극 설계는 Table 1에 정리한 바와 같다. 이는 복합 전극의 구성 물질간 접촉면적 변화를 분석하기 위해 전극 조성과 로딩은 고정하고, 전극 활물질 입경 및 전극 밀도를 두 가지 변수로써 제어하였다. 전극 활물질 입경은 Umicore사의 LiCoO₂ KD-10 (D50 = 10 µm)와 KD-20 (D50 = 20µm)을 고려하여 설정하였다.

대상 데이터

이는 복합 전극의 구성 물질간 접촉면적 변화를 분석하기 위해 전극 조성과 로딩은 고정하고, 전극 활물질 입경 및 전극 밀도를 두 가지 변수로써 제어하였다. 전극 활물질 입경은 Umicore사의 LiCoO₂ KD-10 (D50 = 10 µm)와 KD-20 (D50 = 20µm)을 고려하여 설정하였다. 특히, 실제 입자의 형상을 반영하기 위해 각 활물질의 SEM image로 입경의 범위를 확인하고, 다면체인 LiCoO₂ 입자가 최대 입경과 최소 입경 사이에 균등하게 존재한다는 가정 하에 구조체를 형성하였다(Fig.

이론/모형

3차원 전극 구조를 생성하고 물리적 인자를 해석하기 위해 GeoDict 2020 (Math2Market GmbH, Germany)를 사용하였다. 자세한 전극 설계는 Table 1에 정리한 바와 같다.

성능/효과

5처럼 용이하게 진행할 수 있다. LiCoO₂와 Super P Li^®의 계면과 LiCoO₂와 PVdF 계면은 전극 밀도에 따라 증가하는 경향성을 나타냈지만 KD-20이 KD-10에 비해 증가폭이 작은 것을 확인할 수 있었고 이는 KD-20의 비표면적이 적은 영향으로 예측된다. 또한, 모든 계면의 절대 면적은 KD-10이 KD-20보다 높은 값을 나타내고 있는 점도 명확하다.
이를 위해 3차원 전극 구조 재형성(3D Reconstruction)을 이용한 비교 및 개선 작업이 필요하다. 그럼에도 불구하고, 3차원 전극 형성 및 해석 소프트웨어만으로 정밀한 3차원 전극 구조를 만들고 물리적 인자를 도출하고 이를 통해 전극 설계에 활용할 수 있다는 가능성을 확인했다는 점에서 본 논문의 의의를 찾을 수 있다.
4에 정리된 것처럼 입자의 크기가 작은 KD-10이 KD-20 보다 항상 큰 Air와의 접촉면적을 보였다. 또한 전극 밀도가 높아짐에 따라, 전해액에 노출될 수 있는 전극 활물질 표면은 줄어드는 경향이 확인되었다.
전자는 도전재와 전극 활물질로 흐를 수 있고, 전극 내에서는 각 전기 전도성 물질이 입체적으로 연결되어 있어야 한다. 예측된 결과를 살펴보면, 전극 활물질 입경과 유사한 크기의 영역에서 높은 전류 밀도가 예측되고 있는 3차원 구조가 도출되었다. 이는 도전재 자체의 전기전도도는 활물질보다 높지만, 전극 내 구조적 연결성 측면에서 활물질 주변으로 전류가잘 흐르고 있음을 예측하고 있다.

후속연구

또한, 각 성분 간 접촉 면적 분석과 전기전도도 예측을 통해, 입경과 전극 밀도 변화에 따른 물리적 인자의 최적화를 할 수 있는 토대를 마련하였다. 아직, 본 연구에서 사용된 3차원 전극 구조가 실제 전극 구조를 정확히 반영하고 있지 않지만, 이러한 방법론을 제시하여 향후 고에너지밀도 전극 설계에 있어 하나의 유용한 방법을 제시했다는 점에서 그 의미와 미래 활용가치가 크다고 하겠다.
그러나, 정확한 3차원 전극 구조를 만들어 내기 위해서는, 실제 전극의 몰폴로지와 비교하고 이를 반영하는 작업이 같이 수반되어야 한다. 이를 위해 3차원 전극 구조 재형성(3D Reconstruction)을 이용한 비교 및 개선 작업이 필요하다. 그럼에도 불구하고, 3차원 전극 형성 및 해석 소프트웨어만으로 정밀한 3차원 전극 구조를 만들고 물리적 인자를 도출하고 이를 통해 전극 설계에 활용할 수 있다는 가능성을 확인했다는 점에서 본 논문의 의의를 찾을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GeoDict란 3차원 전극 구조 형성 및 해석 모델링/시뮬레이션 툴을 이용하여, LiCoO2입경 및 전극 밀도가 제어된 3차원 전극 구조를 만들어내는 데 성공했음을 볼 수 있는 연구결과는?	GeoDict란 3차원 전극 구조 형성 및 해석 모델링/시뮬레이션 툴을 이용하여, LiCoO2입경 및 전극 밀도가 제어된 3차원 전극 구조를 만들어 내는 데 성공했다. 입경과 전극 밀도에 따른 전극 내부 몰폴로지 뿐만 아니라 각 성분의 접촉 면적과 전기전도도란 물리적 인자까지 정량화 되고, 각 설계 별 차이가 비교되었다. 특히, LiCoO2가 93 wt%라는 높은 중량비율에도 불구하고 전극 기공도와 높은 밀도값을 고려하면 상대적으로 낮은 부피 분율을 전극 내 차지하고 있음을 시각화 할 수 있었다. 또한, 각 성분 간 접촉 면적 분석과 전기전도도 예측을 통해, 입경과 전극 밀도 변화에 따른 물리적 인자의 최적화를 할 수 있는 토대를 마련하였다. 아직, 본 연구에서 사용된 3차원 전극 구조가 실제 전극 구조를 정확히 반영하고 있지 않지만, 이러한 방법론을 제시하여 향후 고에너지밀도 전극 설계에 있어 하나의 유용한 방법을 제시했다는 점에서 그 의미와 미래 활용가치가 크다고 하겠다.
	이차전지용 전극 일반적으로 어떤 형태를 갖는가?	이차전지용 전극은 일반적으로 전극 활물질, 도전재, 그리고 고분자 바인더가 혼합된 복합 전극의 형태를 갖는다. 따라서, 크기나 형태가 다른 각 성분의 조성 및 전극 내 분포에 따라 전극의 전기화학적 활성이 달라지게 되나, 이를 효율적으로 예측하고 설계하는 3차원 전극 구조 모델링 기술은 아직 활발히 연구되고 있지 못하다.
	리튬이차전지의 에너지밀도 향상을 위하여, 새로운 고용량 전극 활물질 개발과 더불어 전극 설계 관점에서 어떤 연구가 함께 진행되고 있는가?	리튬이차전지의 에너지밀도 향상을 위하여, 새로운 고용량 전극 활물질 개발과 더불어 전극 설계 관점에서 전극 활물질 조성이나 단위 면적당 로딩 (Loading, mg cm-2)을 높이는 연구가 함께 진행되고 있다.1-4 전극 내 활물질 조성을 높이기 위해서는 도전 재의 전기 전도특성5-7과 바인더 접착특성8-12을 개선해야 할 뿐만 아니라, 전극 내 분포를 적절히 제어할 수 있어야 한다.

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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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