[논문]리튬이온전지 실리콘계 음극 바인더 소재 개발

윤지희; 유정근

doi:10.7234/composres.2022.35.6.365

리튬이온전지 실리콘계 음극 바인더 소재 개발
Development of Binder Materials for Si-based Anode in Lithium-ion Batteries 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.6, 2022년, pp.365 - 370

윤지희 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science (KIMS)) , 유정근 (Composites Research Division, Korea Institute of Materials Science (KIMS))

초록
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전기자동차 및 E-모빌리티 시장이 급속히 성장함에 따라 리튬이온전지는 현재 가장 주목받는 기술 중 하나로 여겨지고 있다. 따라서 높은 용량 및 출력, 급속 충전 성능을 가지는 고에너지밀도 전극 개발이 매우 중요한 상황이다. 고에너지밀도 전극 구현을 위해서 음극의 경우 실리콘, 주석 등 고용량 활물질 소재에 대한 연구가 진행되고 있는 상황이다. 하지만 이러한 고용량 활물질 소재는 전지의 충방전 과정 시 발생하는 부피팽창이 전지의 성능을 저하시키는 주된 원인이 된다고 알려져 있다. 따라서 활물질의 부피팽창을 완화할 수 있는 바인더 소재 개발이 매우 중요한 상황이며, 기존 PVDF, CMC/SBR계 바인더 뿐만 아니라 수용성 고분자(polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, aliginate 등)를 이용한 바인더 소재 개발 연구가 많이 보고되고 있다. 이처럼 앞으로 리튬이온전지의 고성능화를 위해서 바인더는 매우 중요한 기술이 되었으며, 본 논문에서는 리튬이온전지용 음극 바인더 소재의 연구 동향을 살펴보고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to the rapid growth of electric vehicle (EVs) and E-mobility market, Li-ion batteries are one of the most progressive technologies. The demand of LIBs with high energy capacity, rate performance and fast charging is continuously increasing, hence high-performance LIBs should be developed. Si is considered as the most promising anode material to improve energy density because of its high theoretical capacity. However, Si suffers large volume chances during the charging and discharge process, leading to the fast degradation of cycle performance. Therefore, polymeric binders play a key role in electrochemical performance of Si anode by efficiently enduring the Si expansion and maintaining the binding networks in electrode. In this review, we explain the role of polymeric binders in electrode and introduce the anode binders with enhanced mechanical and chemical properties which can improve electrochemical performances of Si-based anode.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Electrode composition
그림 Fig. 2. Mechanism of Si active material during char/discharging
표 Table 1. Charateristic of active material in anode
그림 Fig. 3. Adhesion mechanism between active material and binder
그림 Fig. 4. Role of binder for Si-based anode
그림 Fig. 5. Structure of watersoluble polymer
그림 Fig. 6. Characteristic of PAA binder and electrochemical properties
그림 Fig. 7. PAA-based binder (a) Crosslinked PAA, (b) PAA-PV, (c) β-cyclodextrin
그림 Fig. 8. Alginate-based binder (a) Alg, (b) Alg-Ca, (c) Alg-C-chitosan
그림 Fig. 9. Cell performance of alginate binder

AI 본문요약
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성능/효과

따라서 전극 내 바인더 역할이 더욱 중요해지고 있다. 그러므로 modified polymer, crosslinked polymer 등을 통해 분자구조가 제어된 바인더의 개발은 리튬이온 배터리의 고성능화에 매우 중요한 기술이 되었다고 판단할 수 있다.

후속연구

현재 상용화된 음극에는 흑연계만 사용했던 과거와 달리 고에너지 밀도 구현을 위해 실리콘과 흑연이 혼합된 활물질을 사용하고 실리콘의 함량을 점차 높이는 방향으로 연구 개발중에 있다. 이에 따라 바인더 소재의 역할도 전극 내 결착 특성을 부여하는 것뿐만 아니라, 신규 소재 및 전극 제조 방식에 요구되는 조건에 부합하는 특성을 갖추기 위한 기능적 요소를 갖추어야 할 것이다. 또한 상용화 측면을 고려하여 large scale에서 바인더의 생산성 및 전극 제조 시 공정성, 대면적 전극에서의 전기화학특성 분석 등 고려해야 할 점이 남아있는 상황이다.

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