NCM을 활용한 리튬이온전지 양극재 제조 및 성능평가

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문서 내 토픽

• 1. 리튬이온전지(LIB) 양극재 제조

  NCM(Ni₀.₉Co₀.₀₅Mn₀.₀₅)을 전구체로 사용하여 LiOH와 고상반응법으로 양극재를 제조했다. 상온에서 400℃까지 4시간 14분 등온상승 후 5시간 유지, 800℃까지 4시간 27분 상승 후 10시간 유지하는 열처리 공정을 거쳤다. 제조된 NCM의 무게는 14.45g이었으며, 고상반응법을 통해 LiOH가 NCM과 잘 혼합되었는지 확인했다.

• 2. 잔류 리튬 측정 및 코팅

  잔류 리튬(LiOH, Li₂CO₃)은 고니켈 NCM이 공기 중 H₂O와 CO₂와 반응하여 형성된다. 코팅 전 잔류 리튬은 252.75ppm(LiOH 9.62ppm, Li₂CO₃ 243.13ppm)이었고, Cobalt(II) acetate 1wt%로 코팅 후 241.90ppm(LiOH 14.37ppm, Li₂CO₃ 227.53ppm)으로 감소했다. 전위차적정기를 사용하여 0.1M 질산으로 중화적정하여 측정했다.

• 3. 양극재 슬러리 제조 및 전극 형성

  AM(양극재 NCM) 2.402g, CN(Super P 카본) 0.3g, BM(4wt% PVDF in NMP) 7.5g을 8:1:1 비율로 혼합하여 3g의 슬러리를 제조했다. Thinky mixer에서 1500rpm으로 10분 교반 후 Al판에 550μm과 500μm 두께로 도포했다. 진공오븐에서 80℃ 30분, 120℃ 12시간 건조 후 핫롤프레스로 0.1, 0.07, 0.04mm 간격으로 압연하여 공극률을 감소시켰다.

• 4. 코인셀 제조 및 충방전 성능평가

  1.3M LiPF₆ in EC/EMC/DEC(3:5:2) 전해질을 사용하여 코인셀을 제조했다. 500μm 전극은 67사이클, 550μm 전극은 64사이클 충방전 테스트를 수행했다. 500μm의 비용량은 145.02mAhg⁻¹, 550μm은 149.01mAhg⁻¹로 측정되었으며, 쿨롱 효율은 99.65~99.70%로 높은 수준을 보였다. 기대수명은 약 197~204회 충방전 사이클로 예측되었다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 리튬이온전지(LIB) 양극재 제조

  리튬이온전지의 양극재 제조는 배터리 성능을 결정하는 핵심 공정입니다. 니켈, 코발트, 망간 등의 원소 조합을 통해 에너지 밀도와 안정성을 동시에 확보할 수 있습니다. 다만 코발트 채굴의 윤리적 문제와 환경 오염 우려가 있어, 코발트 저감 또는 무코발트 양극재 개발이 중요한 과제입니다. 고니켈 양극재는 에너지 밀도 향상에 유리하지만 구조적 안정성 저하 문제를 해결해야 합니다. 제조 공정의 정밀한 온도 제어와 분위기 관리가 필수적이며, 이는 생산 비용 증가로 이어질 수 있습니다. 향후 고성능 양극재 개발과 함께 지속가능한 원료 확보 및 재활용 기술 개발이 병행되어야 할 것으로 판단됩니다.

• 2. 잔류 리튬 측정 및 코팅

  양극재 표면의 잔류 리튬은 전해질과 반응하여 임피던스 증가와 사이클 성능 저하를 초래하므로 정확한 측정이 매우 중요합니다. ICP-OES, TGA 등 다양한 분석 기법을 통해 잔류 리튬을 정량화할 수 있으나, 측정 방법 간 편차 문제가 존재합니다. 코팅 기술은 산화물, 인산염, 탄소 등 다양한 소재로 진행되고 있으며, 얇고 균일한 코팅층 형성이 성능 향상의 핵심입니다. 과도한 코팅은 이온 전도도를 저해하므로 최적 두께 결정이 필수적입니다. 습식 코팅, 건식 코팅 등 공정 방식에 따라 특성이 달라지므로, 대량 생산 관점에서 경제성과 효율성을 동시에 고려한 공정 개발이 필요합니다.

• 3. 양극재 슬러리 제조 및 전극 형성

  양극재 슬러리 제조는 입자 분산, 바인더 분자 배치, 전도제 분포 등이 최종 전극 성능에 직접 영향을 미치는 중요한 공정입니다. 슬러리의 점도, 고형분 함량, pH 등 물리화학적 특성을 정밀하게 제어해야 균일한 전극을 얻을 수 있습니다. 코팅 공정 선택(건식 또는 습식)에 따라 슬러리 특성이 달라지며, 이는 전극의 기공률, 밀도, 전자 전도도에 영향을 줍니다. 바인더 선택도 중요한데, PVDF는 화학적 안정성이 우수하지만 환경 문제가 있고, 수계 바인더는 친환경적이나 성능 최적화가 필요합니다. 슬러리 제조부터 건조, 압축까지 전 과정에서 일관성 있는 품질 관리가 대량 생산의 성공을 좌우합니다.

• 4. 코인셀 제조 및 충방전 성능평가

  코인셀은 양극재 개발 단계에서 신속하게 성능을 평가할 수 있는 표준화된 시험 셀로서 매우 유용합니다. 셀 조립 시 양극, 음극, 분리막, 전해질의 정확한 배치와 충분한 압착이 재현성 있는 결과를 위해 필수적입니다. 충방전 성능평가는 용량, 효율, 사이클 수명, 레이트 특성 등 다양한 지표를 포함하며, 이들은 양극재의 구조적 안정성과 이온 전도도를 반영합니다. 다만 코인셀은 실제 상용 셀과 구조가 다르므로, 개발 후기 단계에서는 파우치셀이나 원통형셀 등 대형 셀에서의 성능 검증이 필요합니다. 온도, 습도 등 환경 조건을 엄격하게 제어하고, 충분한 반복 실험을 통해 데이터의 신뢰성을 확보하는 것이 중요합니다.