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1. 수계 바인더는 왜 필요할까?
- 비수계 바인더인 PVDF는 극성 용매인 NMP와 같이 사용되는데, 전극 건조 시 NMP 가스와 같은 유해물질을 배출하는 문제가 존재
- 따라서 NMP를 회수하여 사용하거나 배출하기 전에 정화하는 추가비용이 발생
- Styrene butadiene rubber (SBR)와 carboxymethyl cellulose (CMC)를 혼합하여 사용하는 SBR/CMC 바인더는 diene계 합성 고무로 매우 유연하며 수계 용매에 녹여 사용할 수 있어 환경 친화적
2. SBR/CMC 바인더
- 환경 문제 외에도 SBR/CMC는 PVDF보다 결착력이 우수하여 바인더 함량을 줄일 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있음
- 특히 음극 활물질은 리튬이 삽입되면서 부피가 팽창하기 때문에 선 접촉 형태로 결찰력을 제공하는 PVDF는 전극의 물리적 파손 및 SEI 층의 손상을 유발할 수 있음
- 반면 SBR/CMC는 점 접촉 형태로 결착력을 제공하며, 전극의 전기화학적 특성을 잘 유지할 수 있음
- 물질의 특성 외에도 공정의 난이도를 고려하여, SBR/CMC 수계 바인더는 일반적으로 천연 흑연 계열 음극제조에 주로 사용되고 있음.
3. SBR 바인더
- SBR/CMC 바인더 중 실제로 바인더 역할을 하는 물질은 SBR이며, 가장 대표적인 제조사는 Zeon사.
- BM-480B는 바인더의 접착력이 6N/m인 초기 제품(BM-400B)보다 약 2배 향상된 접착력을 가짐.
- 또한 영하 10도의 저온 방전 용량과 60도 고온 수명 성능에서 각각 8% & 10%의 향상을 보임
4. CMC 바인더
- SBR/CMC 바인더 중 CMC는 증점제 (Thickening agent)로 사용되며, 소량만 첨가하더라도 슬러리의 점도 특성을 크게 향상시킬 수 있음.
- CMC는 백색, 미백색의 입상 또는 섬유상 분말이며, 물에 잘 녹고 무취하여 화학적으로 안정하고 인체에 무해.
- CMC를 중대형 전지로 적용분야를 넓히기 위해 나트륨 이온을 리튬 이온으로 대체한 CMC-Li 제품이 개발됨.
- CMC-Li는 CMC-Na 대비 높은 결착력과 낮은 저항을 기반으로 고용량화와 출력 특성을 개선함.
5. 차세대 바인더 I - PAA 바인더
- Polyacrylic Acid (PAA) 바인더도 SBR/CMC 바인더와 마찬가지로 수성 용매에 녹여 사용할 수 있어, 기존의 PVDF 바인더를 대체할 수 있는 친환경 바인더로 주목받고 있음
- SBR/CMC는 부피 팽창이 비교적 적은 흑연 계열 음극과는 호환성이 우수하지만, 실리콘 전극의 큰 부피 팽창으로 인한 SEI 층의 균열과 집전체와의 접촉 손실로 인해 용량 유지율이 낮음
- 반면, 극성이 높은 PAA 바인더의 -COOH 작용기를 포함하고 있어 실리콘의 부피 팽창을 수용할 수 있음
- 또한 부동태화 황화물 (LiF) 을 SEI 층에 균일하게 형성하며 전해질의 추가적인 분해를 막아 오랜 수명 안정성을 보장함
6. 차세대 바인더 II - PTFE 바인더
- Polytetrafluoroethylene, 용매를 필요하지 않아 전극의 두께를 높이는 공정에 유리하여 최근 관심을 받고 있는 바인더
- 건조공정을 축소할 수 있어 경제성과 생산성에 용이하다는 평가를 받고 있지만, 전극의 두께 조절이 어렵다는 단점이 있어 상용화를 위해서는 많은 연구와 개발을 필요로 함.
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