안녕하세요. 공대생P 입니다. 오래간만의 포스팅입니다. 이번 포스팅에서는 리튬이차전지에 사용되는 전극기술 중 하나인 프라이머 코팅 기술에 대해 말씀드리고자 합니다.
1. 프라이머 코팅이란 무엇인가?
프라이머 코팅(Primer-coating)은 전극 집전체에 특정 물질을 코팅하여 전지 성능을 향상시키는 역할을 하고 있습니다. 적용되는 물질로는 주로 고분자나 전도성 입자로 이루어져 있는 혼합물입니다. 또한 양극과 음극 구별 없이 양극집전체-Al, 음극집전체-Cu 모두 적용되는 기술입니다. 그렇다면 프라이머 코팅은 왜 필요한 걸까요?
2. 프라이머 코팅이 필요한 이유
2.1 전극구성물질 간 접착력 강화
배터리에 사용되는 전극은 다음 그림과 같이 집전체(Current collector)를 기반으로 합제(활물질-LiFePO4 + 도전재-Conductive additive + 바인더-Binder)가 위에 코팅되어 구성되어 있습니다. (합제 : Active layer) 이해를 쉽게 돕기 위해 논문에서 자료사진을 갖고 왔습니다.
위 그림에서 프라이머는 'Current collector coating' 부분입니다. 배터리에서 전지는 충방전을 거듭할수록 여러 화학반응이 수반됩니다. 리튬의 이동에 따라 전극의 부피가 변하기도 하고 전극계면에 생성되어 있는 SEI Layer 가 반응하는 등 여러 반응이 지속적으로 일어나고 있습니다.
이러한 반응이 지속적으로 일어나다가 합제가 버틸 수 있는 어느 임계점을 지나게 되면 합제(Active layer)와 집전체로부터 탈리되는 문제가 발생합니다. 합제가 탈리된다면 리튬이온이 저장될 수 없으므로 수명이 급격하게 감소하게 될 것입니다. 프라이머 코팅은 금속집전체 표면에 코팅되어 이러한 문제점을 개선하는데 기여합니다.
2.2 부식방지
프라이머 코팅은 또한 집전체 부식 방지에 기여합니다. 집전체는 지속적으로 전해액에 노출되어 있고, 충방전을 거듭하면서 부식이 발생하게 됩니다. 이에 따라서 집전체의 금속이 전해액으로 용출되게 되며 배터리 내 알루미늄 이온(Al 3+) 및 구리 이온(Cu 2+)이 형성되게 되고, 이러한 이온들은 전기화학반응에 의해 전극 표면에 Plating 되어 금속을 형성하며 화재의 원인으로 작용합니다.
2.3 접촉저항개선
프라이머 코팅은 또한 저항 개선에도 도움을 주는 역할을 하고 있습니다. 접촉저항개선에 따라 아래 그래프에 나와있듯이 과전압의 크기가 상당히 줄어드는데요, 왜 그런것인지 말씀드리겠습니다.
프라이머코팅에는 전도성 입자가 포함되어 있습니다. 그 말은 전자가 이동하기 쉽다는 것이며, 따라서 전극 표면에서 전자의 이동에 따른 산화-환원 반응속도가 빠르다고 이해할 수 있습니다. 또한 집전체 표면에 균일하게 코팅층이 형성되므로 전극 소재 간의 접촉면적을 균일하게 만들어주며, 전류밀도를 고르게 분포시켜 저항을 최소화시키는 장점이 있습니다.
3. 프라이머 코팅이 적용된 논문
이해를 돕기 위해 프라이머 코팅이 적용된 논문의 충방전 실험결과를 가져왔습니다. 해당 그래프는 첫 번째와 200번 째의 충전과 방전곡선에 대한 용량-전압 그래프입니다. Voltage profile 그래프라고 보통 부르곤 하는데, 이해가 어려우신 분들은 하단에 링크를 남겨놓을 테니 해당 포스팅을 먼저 봐주시면 이해하는데 도움이 될 것 같습니다.
왼쪽 그래프의 RCC는 코팅이 적용되지 않은 전극이며, 오른쪽 그래프의 PCC는 Primer 코팅이 적용된 전극입니다. 첫 번째 사이클을 나타내는 O-선을 비교해보았을 때, 충전용량과 방전용량에서부터 Primer 코팅 적용층의 용량이 더 높은 것을 알 수 있습니다. 또한 PCC의 용량마다 나타내는 Y축 전압의 크기가 높은 것으로 과전압 또한 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있었습니다.
이는 에너지밀도 (P=VI) 기준으로 볼 때 더 높은 전압을 나타내므로 전지 스펙인 에너지밀도 측면에서도 PCC를 사용한 전극의 성능이 우수한 것을 알 수 있습니다. 그다음으로 수명 측면에서 200사이클 충방전 후에 결과에서도 PCC의 방전용량은 약 80mAh/g 수준으로 우수한 것을 확인할 수 있었습니다.
이번 포스팅에서는 전극 성능을 향상시켜주는 프라이머 코팅에 대해 알아보았습니다. 저도 이차전지를 공부하는 입장이기 때문에 잘못된 부분이나 해석이 있을 수 있다고 생각합니다. 궁금하신 부분들은 언제든지 댓글로 편하게 작성 부탁드립니다. 끝으로 포스팅을 마치도록 하겠습니다. 감사합니다.
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