용제

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 23150(2016) 이 기사 인용

44k 액세스

114 인용

9 알트메트릭

측정항목 세부정보

리튬 이온 배터리 전극은 새로운 완전 건식 분말 도장 공정을 사용하여 제조되었습니다. 기존의 슬러리 주조 전극에 사용되는 용매가 완전히 제거되었습니다. 슬러리 주조 전극 제조가 열간 압연 공정으로 대체되면서 용매 증발 공정에 필요한 시간과 자원이 많이 필요해 열 활성화 시간이 크게 단축되었습니다. 나머지 활성 전극 입자에 열가소성 중합체의 기계적 결합을 유도하는 열 활성화 시간은 불과 몇 초인 것으로 밝혀졌습니다. 용매를 제거하고 건조 공정을 거치면 자동차 에너지 저장 시스템과 같은 시장에서 대규모 리튬 이온 배터리 생산이 더욱 경제적으로 가능해집니다. 분말 혼합 및 결합제 분포를 좌우하는 다양한 분말의 표면 에너지를 이해함으로써 건식 증착 입자를 집전체에 결합하는 테스트를 통해 결합 강도가 슬러리 주조 전극보다 84.3kPa에 비해 148.8kPa로 더 높다는 것을 알 수 있습니다. 전기화학적 테스트에 따르면 새로운 전극은 바인더 분포가 다르기 때문에 기존의 슬러리 처리 전극보다 성능이 뛰어난 것으로 나타났습니다.

상업용 리튬 이온 배터리 전극은 금속 집전체에 슬러리를 캐스팅하여 제조됩니다. 슬러리는 용매에 활물질, 전도성 탄소, 바인더를 함유하고 있습니다. 가장 일반적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)인 결합제는 용매, 가장 일반적으로 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 사전 용해됩니다. 혼합하는 동안 폴리머 바인더는 활물질과 탄소 입자 주위를 흐르며 코팅합니다1,2,3,4,5,6,7,8,9. 균일하게 혼합한 후 생성된 슬러리를 집전체 위에 캐스팅하고 건조해야 합니다. 배터리를 제조하려면 용매를 증발시켜 건조 다공성 전극을 만드는 것이 필요합니다. 일부 전극의 경우 완전히 건조되기까지 120°C에서 12~24시간이 소요되는 등 건조 시간이 매우 오래 걸릴 수 있습니다5,10. 상업용 응용 분야에서는 NMP의 높은 비용과 잠재적인 오염으로 인해 증발된 NMP를 회수하기 위해 건조 공정 중에 NMP 회수 시스템을 마련해야 합니다11,12. 복구 시스템은 전체 프로세스를 더욱 경제적으로 만들지만 대규모 자본 투자가 필요합니다. 수성 슬러리와 같은 덜 비싸고 환경 친화적인 용매는 회수 시스템의 큰 자본 비용을 제거할 수 있지만 전극에는 여전히 건조 단계9,10,13,14,15,16를 요구하는 시간과 에너지가 필요합니다. 배터리 전극을 만드는 데에도 색다른 제조 방법이 사용되었습니다. 용매 기반 정전 스프레이 증착은 전극 재료로 집전체를 코팅하는 데 사용되었습니다. 이는 증착 노즐에 고전압을 추가하고 집전체를 접지함으로써 달성되며, 이로 인해 증착 재료가 노즐에서 원자화되어 집전체로 끌어당겨집니다. 이 방법으로 제작된 전극은 슬러리 주조 전극과 유사한 특성을 나타내며 시간과 에너지가 많이 소요되는 건조 공정(400°C에서 2시간)이 필요하다는 점에서 유사한 단점이 있습니다. 리튬 이온 배터리는 또한 NMP 기반 페인트를 사용하여 각 전극 구성 요소를 원하는 표면에 분사하는 스프레이 페인팅 기술을 사용하여 제조되었습니다. 이를 통해 다양한 표면에서 배터리를 제조할 수 있지만 여전히 용매를 증발시켜야 합니다.

집전체에 건조 입자를 코팅하여 제조한 전극은 용매를 사용하지 않고 사용에 따른 단점을 없애는 이상적인 제조 공정을 나타냅니다. 건식 전극 제조는 펄스 레이저 및 스퍼터링 증착과 같은 다양한 방법을 통해 달성되었습니다. 펄스 레이저 증착은 증착할 재료가 포함된 대상체에 레이저를 집중시켜 달성됩니다. 레이저가 목표물에 닿으면 재료가 기화되어 수집 기판에 증착됩니다. 용매를 사용하지 않더라도 증착된 필름은 필름을 어닐링하기 위해 매우 높은 온도(650-800°C)에 노출되어야 합니다. 마그네트론 스퍼터링을 통한 증착은 필요한 어닐링 온도를 350°C27까지 낮출 수 있습니다. 이러한 방법은 건식 배터리 전극 제조의 대표적인 방법이지만, 둘 다 매우 느린 증착 속도와 어닐링을 위한 높은 온도 요구로 인해 어려움을 겪고 있습니다.