#6. 리튬이온 이차전지에서 전극은 어떻게 구성되는가?

1) Positive electrode for LIBs (리튬이온전지의 양극) 

활물질 + 도전재 + 바인더 + 집전체로 수성된다. 보통 양극의 집전체 위에 코팅하는 물질을 Slurry라고 하는데 이는 슬러리 라고 부른다. 이 슬러리는 보통 활물질과 도전재, 바인더, 용매로 구성되며 이렇게 만들어진 슬러리를 집전체인 Al foil 위에 코팅하여 건조 후 사용한다. 각 물질의 역할에 대해서 설명하겠다. 

 

2) Bider & Solvent (바인더와 용매)

양극 슬러리를 제조할 때 사용되는 바인더는 (Binder) 말 그대로 활물질과 도전재를 집전체 위에 잘 코팅되고 유지될 수 있도록 잡아주는 보통의 접착제 같은 역할을 한다. 이때, 일반적으로 사용되는 바인더의 종류에는 PVDF와 SBR 두가지 종류가 있는데, 이 바인더의 특징 및 차이점은 다음과 같다. PVDF 바인더와 함께 사용하는 용매는 NMP(1-Methyl-2-pyrrolidinone) 유기 화학물 중에 하나로 주로 용제, 용매 및 화학반응의 촉매로 사용된다. 다음으로 물을 용매로 하는 SBR/CMC 바인더를 적용하는 수계 전극방식도 존재한다. SBR/CMC 바인더는 PVDF 바인더 대비 작은 양으로도 제조 가능하며, 부피변화에 유리하고 초기효율이 우수하다는 특징이 있다. 

 

3)  Requirment of Cathode Material (양극 활물질의 필요요건)

- 높은 충방전 용량 

- 높은 구동 전압

- 높은 이온&전자전도도

- 화학, 전기화학적, 구조적 안정성

- 낮은 가격

- 쉬운 가공 처리

 

4) Requirment of Anode Material (음극 활물질의 필요요건)

- 높은 충방전 용량

- 낮은 구동 전압

- 높은 이온&전자전도도

- 화학, 전기화학적, 구조적 안정성

- 사이클 구동시 유연한 부피변화

- 높은 충방전 효율 및 낮은 비표면적 (전해질과의 접촉을 최소화하여 전해질 분해 및 불필요한 소모 최소화)

- 친환경적 소재

- 쉬운 가공 처리 방식

 

5) 전극 활물질의 역할

- 양극활물질은 음극에 제공하기 위한 리튬 이온과 전자를 소유하고 있어야 한다. 충전시 외부전원에 의하여 양극의 전자가 음극으로 이동하는데, 이때 양극에서는 산화반응이 음극에서는 환원반응이 일어난다.

- 음극 활물질은 양극이 제공하는 리튬이온과 전자를 저장할 수 있어야 한다.

* 리튬이온전지 충전시 음극에 전자가 흐르게 되고 전기 중성도를 맞추기 위해 전해질을 통해 리튬이온(양이온)이 음극쪽으로 이동하여 충전이 이루어 진다. 

 

6) 양극 활물질의 구성

-리튬이온 : 충전 시 음극으로 이동함 (Charge carrier) , 전자가 이동하는 만큼 보상해야 하므로 용량을 결정하는 인자임.

-전이금속 : 충전 시 음극으로 전자를 제공해줌, 전이금속의 산화수는 증가되며 전이금속 M이 전자를 제공하여 산화수 변화하가 가능함.

-음이온 : 전이금속 M과 결합하여 구조를 형성하기 때문에 구조 내에서 전자와 리튬이온이 동시에 나가며 충전이 진행됨, 방전 시 다시 리튬이온과 전자를 저장하는 Host의 역할을 함. 

 

7) 음극 활물질의 구성 

리튬이온과 전자를 저장할 수 있는 물질로 대표적인 저장 메커니즘으로는 Intercalation, Alloying, Conversion이 있다.