안녕하세요. 공대생P입니다. 배터리소재 관련 업체에 종사하시는 분들이면 코인셀 실험을 필수적으로 해본 경험이 있으실 겁니다. 이번 글은 현업에서 근무하면서 느낀 코인셀 평가의 단점과 그 원인들에 대해 말씀드리려 합니다.
1. 단점
코인셀 평가의 가장 큰 문제점은 데이터의 신뢰성이 매우 떨어지는 것이 단점입니다. 특정 소재를 사용하여 완전 셀(Full cell)을 제작하여 충방전 평가를 할 경우 전지 용량에 대한 산포가 매우 큰 문제점이 있습니다. 더 나아가서 소재를 직접제작(양극코팅, 음극코팅, 분리막 제막)하여 코인셀을 조립하는 경우 산포가 더 크게 발생하는 문제점이 있습니다.
2. 원인
2.1. 코인셀 부품 (Parts)
첫 번째로 제가 생각하는 원인은 코인셀 부품 입니다. 코인셀은 조립 시 바텀(Bottom), 가스켓(Gasket), 스프링(Spring), 스페이서(Spacer), 캡(Cap) 총 5가지 부품을 사용하여 조립됩니다.
이러한 여러가지 재료를 사용하여 전지에 적용할 경우, 각각의 재료가 저항으로 작용하게 됩니다. 이러한 저항에 의해 용량의 산포를 발생시키는 문제점이 있습니다. 반면 파우치셀의 경우에는 이러한 요소들이 없기 때문에 저항도 적으면서 편차도 줄어드는 장점이 있습니다. 또한 각각의 부품들에 불순물이 섞여있을 경우, 이것 또한 전지가 제대로 작동하는 것을 방해하거나 용량 감소에 영향을 끼칠 수 있습니다.
2.2 구성 소재들의 수분(H2O)
배터리는 물(H2O)에 아주 취약한 특징이 있습니다. 이는 전해액에 사용되는 LiPF6가 물과 반응하여 내부 재료를 공격하는 HF를 생성하기 때문입니다. 이 때문에 재료들의 수분관리가 필수적입니다. 따라서 코인셀을 조립하기 위해, 각각의 전극이나 부품 및 분리막등을 고온의 진공에서 건조해 수분을 제거한 상태에서 조립해야 합니다.
리튬이온배터리에서 수분(H2O)이 미치는 영향
반도체 공정이나 기타 정밀화학 소재에서 수분을 조절하는 것은 매우 중요하다. 정밀화학소재같은 경우는 순도가 매우 중요한데, 물이 존재할 경우 부반응을 일으켜 품질을 저하하기 때문이다.
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2.3. 조립공정 (Process)
세 번째로 조립공정입니다. 배터리 조립 시 여러 과정을 거쳐 조립되는데 각각의 공정에 오차로 적용될만한 인자가 매우 많습니다. 개인적으로 조립공정에서 생각되는 2가지 인자를 말씀드리겠습니다. 첫 번째는 양극과 음극의 정렬입니다. 코인셀 조립과정에서 양극과 음극을 정 가운데에 정렬시켜야하는데, 글로브박스에서 실험을 진행할 경우에 거동이 불편하여 정렬이 잘 되기가 어렵습니다. 이해가 어려우신 분들은 아래 글을 먼저 보신 후 참고하시면 많은 도움이 될 것 같습니다.
리튬이온배터리 코인셀(Coin cell) 부품 및 조립방법
리튬이온배터리 코인셀(Coin cell) 부품 및 조립방법
리튬이온배터리나 기타 배터리를 연구하는 연구원중에 코인셀(Coin cell)을 만들어보지 않은 사람은 없을 것이다. 배터리의 현상을 규명하거나 간단히 실험할 수 있는 장점 때문에 코인셀은 배터
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귀찮더라도 양극과 음극에 대한 정렬을 신경써서 한다면 용량 편차를 줄일 수 있을 것입니다. 두 번째는 최종공정에서 Crimper 장비를 이용하여 전지를 밀봉하는 경우입니다. 사람마다 밀봉할 시 장비에 가하는 힘이 다른 특징이 있습니다. 예로 힘이 센 남자가 사용할 경우 전지 내부 구성품이 압착이 잘 되어 더 낮은 저항이 걸릴 수 있고, 반대로 상대적으로 힘이 약한 사람이 사용할 경우 압착이 잘 되지 않는 경우도 있습니다.
2.4. 작업자 (Man)
작업자 입니다. 실험을 하면서 '손을 탄다'라는 말이 있습니다. A라는 사람이 실험을 하였는데, B가 똑같은 방법으로 실험을 따라 하여도 같은 성능이 나오지 않는 경우입니다. 코인셀 제작에서는 이러한 경우가 비일비재합니다. 왜냐하면 앞서 설명드렸던 조립공정에서 사람마다 고수하는 방식이나 힘, 팔 길이 등등이 다르기 때문에 이러한 것들이 다 인자로 작용하는 단점이 있습니다.
3. 그래도 코인셀을 사용하는 이유
이렇든 단점이 매우 많고 신뢰성이 부족한 코인셀이지만, 여전히 많이 사용되는 이유는 가격경쟁력입니다. 부품이 상대적으로 값싸고, 파우치에 비해 작은 Scale의 전극이 필요하여 평가 Screening용으로 적합합니다. 따라서 현업에서는 먼저 코인셀을 이용하여 Screening 평가를 진행한 다음, 검증된 재료나 물질을 선별하여 파우치셀에 적용하여 평가하는 방식을 사용하고 있습니다.
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