리튬 이온 배터리는 오늘날 시장에서 가장 많이 사용되는 충전식 배터리입니다.  소비자의 전자제품, 전기 자동차 및 산업 장비를 포함하여 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 최근 몇 년 동안 리튬 이온 배터리가 굉장히 많이 사용되고 있기 때문에 배터리 수명이나 성과, 안전성을 높이기 위한 연구를 중심으로 배터리 기술을 개발하고 있습니다.   

이 중 전극 공정과 제조 개선이 주요 연구 중 하나로 꼽히고 있습니다.  특히 연구원들은 전극 제조 공정을 최적화하는 데 초점을 두고 연구를 진행하고 있으며, 여기에는 양극 활물질 또는 음극 파우더에 바인더, 첨가제 및 용매를 섞어 복합 비뉴턴 유동 특성을 지닌 슬러리 형태로 만드는 공정을 포함합니다. 이러한 슬러리의 효율적인 공정은 유변학적 프로파일이라고도 불리는 슬러리 유동 특성을 얼마나 이해하는지에 따라 다를 수 있습니다.   

슬러리의 유변학을 자세히 이해하면 침전에 대한 슬러리의 보관 안정성, 펌퍼빌리티, 운반성을 더 제어할 수 있으며, 더 무거운 코팅 중량으로 균일하고 결함이 없는 필름을 생산할 수 있습니다. 이러한 측정은 공정을 최적화하려는 노력을 간소화하며 연구원들이 배터리 성능의 한계를 뛰어넘는 새로운 재료를 개발할 때 유의미한 구조적 특성 관계를 도출할 수 있도록 돕습니다. 다음 연구에서는 유변학을 활용하여 배터리 재료를 개발, 취급 및 처리를 개선하는 최고 연구자들의 연구 내용을 보여줍니다.  

모든 리튬 이온 배터리는 슬러리 형태의 양극 코팅이 필요합니다. 최근 산업용 배터리 제조에는 양극에 슬롯 다이 코팅을 적용하고 있으며, 여기에서는 슬롯 다이 헤드를 슬러리로 부드럽고 균일하게 양극을 코팅합니다. 리튬 이온 배터리 제조를 더 빠르고 효율적으로 생산하려는 수요가 늘어나면서 오크리지 국립 연구소 및 테네시대학교의 Hawley와 Li 연구원은 양극 슬러리의 점도를 낮추기 위해 온도를 높여 슬롯 다이 코팅의 속도를 높이는 방법을 찾았습니다.1 감소된 슬러리 점도 결과, 점도는 최대가 되었고 공기 유입과 두께의 불균형과 같은 결함은 최소화되었습니다. 팀에서는 TA Instruments Discovery 하이브리드 레오미터 (DHR)를 사용했으며 슬러리 온도가 25°C에서 75°C로 오르면 점도가 60°C에서 23% 내려간다는 사실을 발견했습니다. 이는 코팅 속도가 약 14% 오를 수 있으며, 즉, “장기적으로 순환하면서 고속 방전 테스트를 하는 동안 비슷한 용량을 유지”하면서 전극 생산을 더 빠르게 할 수 있다는 뜻을 의미합니다. 활성 물질의 침전 저항이 높아지면서 슬러리의 항복 응력과 평형 저장 탄성률은 25 C와 60°C 사이에서 단조 증가합니다.”

전고체 배터리는 기존의 액체 또는 폴리머 용해물 전극과 전해질 대신 고체 전극과 고체 전해질을 새로 구성해서 만들어집니다. 밴더빌트의 기계공학, 재료 공학, 화학 및 생체분자 공학 부서의 연구원들은 전고체 배터리(ASSBs)의 복합 전극에 대한 잉크 구성을 조사했습니다.2 측정할 수 있는 복합 전극 제조는 전극의 고체 재료, 바인더 및 용매를 결합하는 잉크에 따라 결정됩니다. 잉크 공학에는 잉크 유변학, 응집 거동 및 원하는 코팅 공정의 안정성을 최적화하는 것을 포함하며, 이는 ASSBs의 복합 전극의 성능을 개선시킵니다.  

Shen, Dixit, Zaman, Hortance, Rogers 그리고 Hatzell로 구성된 밴터빌트 팀은 용매와 바인더의 다른 조합을 평가하기 위해 TA Instruments Discovery 하이브리드 레오미터를 사용했습니다. 이들은 배터리 산업에서는 잘 사용되지 않은 조합인 테르피네올 용매와 폴리비닐부티랄(PVB) 바인더가 “동적 표면 장력 개선 및 향상된 전극과 용량 성능으로 연결되는 유변학”뿐만 아니라 “습윤성과 고체-고체 계면에서 접착력 개선”을 밝혀냈습니다. 이러한 유변학적 측정은 이상적인 조합을 확인할 수 있게 도와주었습니다. 유변학은 제조용 전극 잉크를 설계하고 허용되는 공정 조건을 결정하는 데 중요합니다. 

몬트리올 대학교 화학과의 Khakani, Verdier, Lepage, Rochefort, Prébé, Aymé-Perrot, 및 Dollé 연구원들과 Hutchinson, 그리고 Total SA의 연구원들은 환경 측면으로 지속 가능하고 비용을 절감할 수 있도록 용매가 없는 공정을 설계하면서 복합 리튬 이온 배터리의 전극 제조를 간소화하는데 다른 접근 방법을 취했습니다.3 이들의 건식 공정은 가공조제(PPA)를 사용하여 용매를 사용하는 습식 전극 공정을 사용하지 않습니다. 이들의 건식 코팅에는 전극을 고르게 코팅할 충분한 점도가 있는 균질의 혼합물이 필요했습니다. TA Instruments Discovery 하이브리드 레오미터(DHR)는 연구자들의 혼합물 최적화 및 혼합물을 적용하기 위해 필요한 전단력의 범위 지정에 도움을 줍니다. 혼합물 결과물은 동일한 점탄성을 갖고 있으며 모든 셀 테스트에서 성공적인 결과를 보이며 친환경적이고 저가 배터리 제조를 위한 포문을 열었습니다.  

상업용 배터리 대부분이 액체 유기 전해질을 사용하고 있지만 이러한 유기 용매는 인화성이고 모든 분야에 사용할 수는 없습니다. 폴리머 전해질(SPEs)은 인화성이 낮고 덴드라이트 발생을 방지하는 기계적 특성을 지니고 있어 안전성이 더 높은 대체재로 연구되고 있습니다.  

일리노이 공대 어바나 캠페인의 Brian Jing과 Christopher Evans는 지속 가능하고 재활용이 가능한 방식으로 동적 공유 가교로 폴리머 네트워크하여 전해질의 안전성과 성과를 높이면서 SPEs를 개발하였습니다.4 이들은 폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO) 네트워크를 발전시키고 전이 온도에 대한 LiTFSI 염의 영향을 연구했습니다.  

배터리 재료를 성공적으로 설계하는 데 있어 중요한 점 중 하나는 다른 온도에서 보이는 재료 거동에 대한 이해입니다. 이는 가열 중 탄성률이 많이 떨어질 수 있어 PEO 기반 재료에 이해 정도가 매우 중요합니다. Jing과 Evans는 TA Instruments Discovery 하이브리드 레오미터를 온도에 따른 PEO 기반 SPE의 탄성률 변화를 판단하는 데 사용했습니다. 고온에서는 재료가 더 부드러워지고 유동적으로 변했으며 재료의 전단 계수는 1MPa 보다 커졌음이 확인되었습니다. 배터리의 높은 최종 사용 온도에서 재료의 높은 탄성률이 덴드라이트 발생을 방지하는데 도움을 줄 수 있고 가교 반응이 높은 전도도를 보장한다는 점에서 중요한 발견입니다.   

또한 동적 공유 가교를 위한 붕소 에스테르 사용은 전해질을 순수에서 30분 안에 용해하고 단량체로 되돌립니다. 그리고 전해질은 전도성 특징과 기계적 특징을 95% 이상 유지하면서 기계적 손상이 발생하면 자가 치유를 보여, 지속 가능한 배터리를 개발하기 위해 재활용 가능하고 재가공이 가능한 재료를 개발하려는 업계의 현재 노력이 앞으로도 필요합니다.  

연구 사례에서 증명하듯이 리튬 이온 배터리에 대한 높은 수요는 재료 개발 단계에서의 공정 최적화에 대한 중요성을 인지시키며 전 세계적으로 제조 한계에 몰리고 있습니다. 혁신은 굉장히 빠른 속도로 이뤄지고 있고 전 세계의 실험실은 성능과 안전성의 균형을 적절하게 이룰 배터리를 개발시키기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 예시는 안정성과 성능이 더 개선된 배터리를 설계하고 효율적으로 생산하기 위해 유변학이 과학자의 툴킷에서 얼마나 중요한 기술인지 보여줍니다. 더 빠른 제조와 안전성 개선, 최고의 최종 사용 품질과 같이 진행되었던 연구에 관한 원동력은 사라지지 않을 것입니다. 배터리 생산과 제품을 계속해서 개선하면 배터리 분야의 과학자들은 다른 분야의 돌파구를 통해 터득한 그들의 기술을 활용할 수 있습니다.   

TA Instruments는 여러 액세서리와 함께 높은 수준의 다기능성과 완벽한 사용자 경험을 제공할뿐만 아니라 훌륭한 측정 정확도를 자랑하는 업계 최고의 레오미터로 이러한 노력을 지원하고 있는 것을 자랑스럽게 생각합니다. 미래의 배터리 발견을 지원하는 장비에 대해 자세히 알아보고 싶다면 당사 배터리 재료 테스트 페이지를 방문해주시기 바랍니다. 최고의 테스트 기술에 대한 자세한 정보는 배터리 테스트 브로셔를 다운로드하여 확인 바라며, 귀하의 실험실에 적합한 장비를 알고 싶다면 당사 전문가에게 문의바랍니다.