화학공학실험: 전극 캐스팅 및 전지 조립

본 내용은 " A+ 화학공학실험 결과 리포트(4-5차시) (전극 캐스팅, 전지 조립) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.09.22

문서 내 토픽

• 1. 전극 캐스팅(Electrode Casting)

  SUS 기판에 양극재 슬러리를 코팅하는 공정으로, 활물질(α-MnO2), 도전재, 바인더(PVDF)를 7:2:1 비율로 혼합하여 NMP 용매에 분산시킨다. OHP 필름을 이용해 1cm×1cm 정사각형 형태로 균일하게 도포한 후 80°C에서 건조한다. 양극재의 구성 비율과 무게는 배터리의 전기전도성, 에너지 밀도, 전극 결합력에 직접 영향을 미쳐 배터리 성능을 결정하는 중요한 요소이다.

• 2. 코인셀(Coin Cell) 조립

  Bottom cap, 양극, 분리막, Gasket, 음극(Zn metal), 전해질, Spacer, Spring, Top cap의 순서로 조립한다. Zn 금속은 사포질하여 덴드라이트 형성을 방지하고 표면을 균일하게 한다. 전해질로 ZnSO₄(2M)을 사용하며, Crimper로 압축하여 전해액 누수를 방지한다. 정확한 부품 정렬과 적절한 전해질 주입이 배터리 안정성과 성능을 좌우한다.

• 3. 수계 아연 배터리(Aqueous Zinc-Ion Battery, AZIB)

  수계 전해질을 기반으로 하는 배터리로, 리튬이온배터리(LIB)에 비해 낮은 전압과 에너지 밀도를 가지지만 안전성이 높고 환경 친화적이며 가격이 저렴하다. 음극으로 아연 금속을 사용하며, 충방전 사이클 중 덴드라이트 형성이 주요 문제이다. 습기와 산화가 적은 환경에서 제조되어야 한다.

• 4. 배터리 성능에 영향을 미치는 요소

  전극(양극과 음극)은 배터리의 4대 구성요소 중 가장 중요하며, 전자와 이온의 주고받음을 담당한다. 양극은 배터리 사용시간에, 음극은 배터리 수명에 영향을 미친다. 도전재 부족 시 전기전도성 저하, 과다 시 에너지 밀도 감소, 바인더 부족 시 전극 결합력 약화, 과다 시 전자 이동 방해로 인한 저항 증가 등이 발생한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 전극 캐스팅(Electrode Casting)

  전극 캐스팅은 배터리 제조의 핵심 공정으로, 활물질, 바인더, 도전재를 균일하게 혼합하여 집전체 위에 코팅하는 과정입니다. 이 공정의 품질은 배터리의 전기화학적 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 캐스팅 두께, 건조 조건, 압밀도 등의 변수를 정밀하게 제어해야 우수한 전극을 얻을 수 있습니다. 특히 균일한 두께와 적절한 공극률 유지는 이온 전달과 전자 전도성을 최적화하는 데 중요합니다. 산업 규모에서는 자동화된 캐스팅 장비를 통해 재현성과 생산성을 확보하고 있으며, 지속적인 공정 개선이 배터리 성능 향상의 핵심 요소입니다.

• 2. 코인셀(Coin Cell) 조립

  코인셀은 배터리 연구 및 개발에서 가장 널리 사용되는 표준화된 테스트 셀입니다. 소형이면서도 재현성 높은 결과를 제공하여 신소재 평가에 이상적입니다. 조립 과정에서 전극의 정렬, 분리막의 적절한 배치, 전해질의 정량적 주입이 매우 중요합니다. 미세한 조립 오류도 셀의 성능과 안정성에 큰 영향을 줄 수 있으므로, 숙련된 기술과 엄격한 품질 관리가 필수적입니다. 코인셀의 표준화된 형태는 다양한 연구기관 간의 데이터 비교를 가능하게 하며, 신규 배터리 기술 개발의 초기 평가 단계에서 매우 효율적인 도구입니다.

• 3. 수계 아연 배터리(Aqueous Zinc-Ion Battery, AZIB)

  수계 아연 배터리는 안전성, 환경친화성, 경제성 측면에서 차세대 배터리 기술로 주목받고 있습니다. 수용액 전해질을 사용하므로 유기 전해질 기반 배터리의 화재 위험을 크게 줄일 수 있으며, 아연의 풍부한 매장량과 낮은 비용은 대규모 에너지 저장 시스템에 적합합니다. 다만 수용액 환경에서의 부반응, 아연 덴드라이트 형성, 전극 재료의 안정성 문제 등 기술적 과제가 남아있습니다. 최근 전해질 첨가제, 음극 표면 개질, 양극 재료 개발 등의 연구를 통해 성능이 지속적으로 개선되고 있습니다. AZIB는 특히 그리드 규모의 에너지 저장에 큰 잠재력을 가지고 있어 향후 상용화 가능성이 높습니다.

• 4. 배터리 성능에 영향을 미치는 요소

  배터리 성능은 재료, 구조, 공정, 운영 조건 등 다양한 요소의 복합적 상호작용에 의해 결정됩니다. 양극과 음극의 활물질 특성, 전해질의 이온 전도도, 분리막의 투과성, 전극의 공극률과 밀도 등이 직접적으로 용량과 효율에 영향을 미칩니다. 또한 온도, 충방전 속도, 사이클 수 등의 운영 조건도 배터리 수명과 안정성을 크게 좌우합니다. 계면 반응, 부반응, 물질 확산 등의 전기화학적 현상도 성능 저하의 주요 원인입니다. 따라서 우수한 배터리 개발을 위해서는 이러한 다양한 요소들을 종합적으로 이해하고 최적화하는 통합적 접근이 필수적입니다.