[논문]전극 혼합 방식의 차이로 인한 특성 변화 최적화

김정태; 카르로스 타파라 음푸푸니; 이범희; 유선율

doi:10.5229/jkes.2023.26.1.1

전극 혼합 방식의 차이로 인한 특성 변화 최적화
Optimization of Characteristic Change due to Differences in the Electrode Mixing Method 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.26 no.1, 2023년, pp.1 - 10

김정태 (한밭대학교 화학생명공학과) , 카르로스 타파라 음푸푸니 (한밭대학교 화학생명공학과) , 이범희 (한밭대학교 화학생명공학과) , 유선율 (한밭대학교 화학생명공학과)

초록
AI-Helper

리튬 이차전지의 4 대 구성요소에 포함되는 양극은 배터리의 에너지 밀도를 담당하는 중요한 구성요소에 속하며, 보편적으로 제작되는 양극의 습식 제작 공정에는 활물질, 도전재, 고분자 바인더의 혼합 과정이 필수적으로 이루어지게 된다. 하지만, 양극의 혼합 조건의 경우 체계적인 방법이 갖추어져 있지 않기 때문에 제조사에 따라 성능의 차이가 발생하는 경우가 대다수이다. 따라서, 양극의 슬러리 제작 단계에서 정돈되지 않은 혼합 방법의 최적화를 진행을 위해 보편적으로 사용되는 THINKY mixer와 homogenizer를 이용한 LiMn₂O₄ (LMO) 양극을 제조해 각각의 특성을 비교하였다. 각 혼합 조건은 2000 RPM, 7 min으로 동일하게 진행하였으며, 양극의 제조 동안 혼합 방법의 차이만을 판단하기 위해 다른 변수 조건들은 차단한 후, 실험을 진행하였다(혼합 시간, 재료 투입 순서 등). 제작된 THINKY mixer LMO (TLMO), homogenizer LMO (HLMO) 중 HLMO는 TLMO보다 더 고른 입자 분산 특성을 가지며, 그로 인한 더 높은 접착 강도를 나타낸다. 또한, 전기화학적 평가 결과, HLMO는 TLMO와 비교하여 개선된 성능과 안정적인 수명 주기를 보였다. 결과적으로 수명특성평가에서 초기 방전 용량 유지율은 HLMO가 69 사이클에서 TLMO와 비교하여 약 4.4 배 높은 88%의 유지율을 보였으며, 속도성능평가의 경우 10, 15, 20 C의 높은 전류밀도에서 HLMO가 더 우수한 용량 유지율과 1C에서의 용량 회복률 역시 우수한 특성을 나타냈다. 이는 활물질과 도전재 및 고분자 바인더가 포함된 슬러리 특성이 homogenizer를 사용할 때, 정전기적 특성이 강한 도전재가 뭉치지 않고 균일하게 분산되어 형성된 전기 전도성 네트워크를 생성할 수 있기 때문으로 간주된다. 이로 인해 활물질과 도전재의 표면 접촉이 증가하고, 전자를 보다 원활하게 전달하여 충전 및 방전 과정에서 나타나는 격자의 부피변화, 활물질과 도전재 사이의 접촉저항의 증가 등을 억제하는 것에 기인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cathode, which is one of the four major components of a lithium secondary battery, is an important component responsible for the energy density of the battery. The mixing process of active material, conductive material, and polymer binder is very essential in the commonly used wet manufacturing process of the cathode. However, in the case of mixing conditions of the cathode, since there is no systematic method, in most cases, differences in performance occur depending on the manufacturer. Therefore, LiMn2O4 (LMO) cathodes were prepared using a commonly used THINKY mixer and homogenizer to optimize the mixing method in the cathode slurry preparation step, and their characteristics were compared. Each mixing condition was performed at 2000 RPM and 7 min, and to determine only the difference in the mixing method during the manufacture of the cathode other experiment conditions (mixing time, material input order, etc.) were kept constant. Among the manufactured THINKY mixer LMO (TLMO) and homogenizer LMO (HLMO), HLMO has more uniform particle dispersion than TLMO, and thus shows higher adhesive strength. Also, the result of the electrochemical evaluation reveals that HLMO cathode showed improved performance with a more stable life cycle compared to TLMO. The initial discharge capacity retention rate of HLMO at 69 cycles was 88%, which is about 4.4 times higher than that of TLMO, and in the case of rate capability, HLMO exhibited a better capacity retention even at high C-rates of 10, 15, and 20 C and the capacity recovery at 1 C was higher than that of TLMO. It's postulated that the use of a homogenizer improves the characteristics of the slurry containing the active material, the conductive material, and the polymer binder creating an electrically conductive network formed by uniformly dispersing the conductive material suppressing its strong electrostatic properties thus avoiding aggregation. As a result, surface contact between the active material and the conductive material increases, electrons move more smoothly, changes in lattice volume during charging and discharging are more reversible and contact resistance between the active material and the conductive material is suppressed.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Comparative schematic diagram of (a) homogenizer and (b) THINKY mixer.
표 Table 1. Summary of viscosity data
그림 Fig. 2. Instability of TLMO and HLMO slurries. (a) Changes in instability index of TLMO and HLMO slurries during 1800 sec centrifugations, (b) final instability index of TLMO and HLMO slurries after 1800 sec, and (c) sedimentationrate per second of TLMO and HLMO.
그림 Fig. 3. Peel test for analysis of binding strength of TLMO and HLMO electrodes.
그림 Fig. 4. SEM images and EDS result showing the cross-section, C mapping profiles, and surface morphology of (a–d) TLMO and (e–h) HLMO.
표 Table 2. Summary of strength data
그림 Fig. 6. Rate capability change in (a) discharge rate and (b) charge rate, and (c) 1 C cycling performances of TLMO and HLMO.
그림 Fig. 5. (a) Charge/discharge profile curves and (b) Nyquist plot for TLMO and HLMO.

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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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