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1. 입자 특성
- 슬러리 제조에 사용되는 재료의 입자 크기를 제어하는 것과 흑연 전극의 탄소 미세구조가 배터리 성능에 영향을 미침
- 슬러리의 입자 농도는 전체적으로 비교했을 때, 높은 비율인 20~40% 차지
- 즉, 입자 특성은 결과적으로 슬러리의 물리적 특성에 상당한 영향을 미침
- 특히 불규칙한 입자는 패킹 밀도를 줄일 뿐만 아니라, 고점도 전극 슬러리를 형성할 수 있으므로 고려해야 하는 중요 인자 중 하나
2. 입자 특성 - 중요한 이유
(1) 전기화학적 성능
- 활물질 입자의 크기는 배터리의 전력과 저장 용량에 직접적인 영향을 미침
- 배터리 전력은 활물질과 전해질 사이의 반응 속도에 의해 결정되기 때문에, 입자 크기를 줄여 비표면적을 넓게 만들게 되면 배터리 전력 증가
- 하지만, 저장 용량 측면에서 관찰한다면, 작은 입자 크기는 전해질 내 표면 금속의 용해와 리튬 이온 이동을 위한 전극 다공도 감소로 인해 성능 감소로 이어짐.
(2) 슬러리 안정성
- 입자 크기가 증가하면 침전/침강 문제가 발생하므로, 비교적 미세한 입자로 균질하게 분산된 슬러리를 제작하는 것이 중요
- 하지만, 과도하게 미세한 입자는 응고 및 응집하는 경향이 있어, 큰 입자를 형성하여 고르지 못한 코팅을 초래하여 전기화학적 성능이 저하될 수 있음
- 즉, 입자 크기는 다양한 조건에 충족될 수 있도록 최적화 필요
3. 점도 - 중요한 이유
- 슬러리 점도와 코팅 방법에 의해 응집체 크기, 입자 모양 및 수명 의존성 결정
- 특히 슬러리 점도가 너무 높으면 균일한 슬러리 제작이 어려움
- 다양한 전단 속도에서 슬러리의 점도를 분석했을 때, 전단 속도가 증가함에 따라 점도 감소
- 우수한 슬러리 제형은 집전체에 균일하게 코팅할 수 있도록 높은 전단 속도를 요구하지만, 한편에서 슬러리 안정성을 보장하기 위해서는 낮은 전단 속도를 요구하기 때문에, 전단 속도 최적화가 필요함
4. 입자 특성 및 슬러리 점도 종합
- 우수한 슬러리 결정 파라미터: 슬러리의 점도, 분산성, 농도, 압축성
- 슬러리의 점도가 높으면 코팅 과정에서 어려움이 발생하고, 분산성이 좋지 않으면 필름 균일성이 낮아짐
- 따라서 슬러리의 농도와 압축성으로 필름 밀도를 제어할 수 있음
- 형상이 불규칙한 입자의 비율이 크면, 입자 마찰 및 맞물림의 영향이 증가하는 반면 유체가 입자를 우회하는 데 필요한 흐름 에너지가 추가로 필요하기 때문에 점도가 높은 슬러리가 발생.
5. 고형분
- 고형분이란 슬러리 전체 중량 대비 슬러리 내 고체 성분의 중량비로, 슬러리에 들어가는 용매의 양을 결정
- 고형분 = (고체 성분의 무게) / (고체 성분의 무게) + (액체 성분의 무게)
- 고분자 바인더는 점도와 탄성이 증가하기 때문에 용매 내 입자 분산이 어려워, 이를 해결하기 위해 용매 추가
- 그러나, 슬러리의 고형분 비율이 낮아져 배터리 용량 저하와 까다로운 건조 조건으로 인해 비용적으로 불리
- 입자의 분산이 용이하고, 전극 제조 공정 시 두꺼운 코팅을 가능하게 하는 높은 점도의 전극 슬러리 개발 요구
- 음극 슬러리 경우, 고형분 함량 증가로 전극 공정성이 향상되고 스웰링 현상이 개선되는 효과 존재
- 슬러리 중의 고형분 양이 적으면, 슬러리 내 용매의 양이 많기 때문에 건조 시간 증가
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