수용성 바인더를 적용한 나노사이즈 LiFePO4/C 양극재 수계 처리 시스템 연구

초록

에너지 수요가 증가함에 따라, 에너지 저장 및 변환에 대한 이슈는 세계적인 관심사가 되었다. 다양한 에너지 저장 장치 중 리튬이온배터리(LIB)는 전기자동차(EV)와 같은 어플리케이션을 기반으로 에너지 시장에서 큰 축으로 자리잡고 있다. 리튬이온배터리의 구성 요소 중 하나인 양극재에는 Polyvinylidene difluoride (PVDF) 바인더와 1-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) 유기 용매가 사용되고 있지만, 이는 비교적 고비용이며 인체 및 환경에 악영향을 줄 수 있다. 위 문제를 개선하기 위해 양극재의 수계 처리공정이 연구되고 있다. 양극 소재 중, LiFePO4 (LFP)는 LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1, NCM) 및 LiNixCoyAlzO2 (x+y+z=1, NCA)와 같은 삼원계 소재보다 비교적 에너지 밀도가 낮고 전도성이 부족하지만, 저렴한 비용과 높은 안정성을 갖고 있다. 특히, LFP는 다른 양극재에 비해 수분이 있는 환경에서도 비교적 안정적인 것으로 보고되고 있다. 이러한 이유로, LFP에 기존 음극재에서 사용되는 수용성 바인더를 적용한 연구가 보고되고 있지만, 활물질과의 호환성 및 바인더의 배합 등의 문제점은 추가적인 개선이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 LFP를 적용한 양극재의 수계 처리 시스템 연구를 진행하였으며 동시에 적합한 새로운 수용성 바인더를 조사하였다. LFP는 Ethylene glycol을 용매로 Solvothermal 합성법을 사용하여 나노 사이즈로 제작되었으며 용액 처리를 통해 바인더의 작용기를 제어하였다. 합성 소재의 물리적 특성과 표면 상태, 및 결정상은 X-ray 회절 분석법(XRD), 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 확인하였다. 전기화학적 성능평가는 Coin-cell 형태로 진행되었으며 수계 시스템 내에서 바인더 혼합 비율에 따른 용량 및 장기 사이클 성능을 평가함과 동시에 기존 유계 시스템에서 제조된 cell과 성능을 비교·분석하였다. 위 연구는 양극재의 공정처리 측면에서 저비용 및 환경 친화적인 접근을 제시하는데 그 목적이 있으며, 리튬이온배터리의 지속가능한 산업 적용으로 이어질 수 있는 방안을 제시한다.