배터리 소재를 연구하거나 분말 형태의 물질을 다룰 때 탭밀도(Tap Density)와 진밀도(True Density)라는 개념이 자주 등장합니다. 이 두 가지 밀도 값은 소재의 특성을 이해하고, 리튬이온배터리 음극·양극재 개발에서 중요한 역할을 합니다. 이번 글에서는 탭밀도와 진밀도의 차이점, 측정 방법, 그리고 배터리 산업에서의 중요성을 알아보겠습니다.
1. 밀도의 정의와 밀도의 종류
양극재 및 음극재의 활물질인 NCM, LFP, Graphite 등의 소재는 분말(Powder) 형태로 공급됩니다. 이때 중요한 특성 중 하나가 탭밀도(Tap density)입니다. 왜냐하면 탭밀도에 따라 전지의 에너지밀도가 변할 수 있기 때문입니다.
위 그림은 여러가지 타입의 밀도의 종류를 의미하는 그림입니다. 순서대로 겉보기 밀도(Bulk density), 탭밀도(Tap density), 진밀도(True density)로 나열되어 있습니다. 각각의 정의에 대해 알아보겠습니다.
밀도 : 단위 부피당 물질이 차지하는 질량의 값 (질량/부피)
겉보기밀도 : 분말 소재를 압축 없이 용기에 부었을 경우 측정되는 밀도(질량/부피)
탭밀도 : 분말을 일정한 방법으로 두드려서(tapping) 얻은 밀도(질량/부피)
진밀도 : 진밀도는 물질 자체의 고유한 밀도로, 모든 기공(열린 기공 + 닫힌 기공)을 제외한 순수한 고체 부분만 고려한 밀도(질량/부피)
2. 탭밀도와 겉보기밀도 측정방식
아래 그림은 탭밀도를 측정하는 장비를 나타낸 것입니다. 해당 자료는 Anton paar 유튜브 영상을 참고하였습니다.
영상을 전체적으로 보고 싶으신 분들은 다음 링크를 참고 부탁드립니다. https://www.youtube.com/watch?v=tyYHIE5Iles
측정하고자 하는 시료를 메스실린더에 붓습니다. 다음 과정으로 메스실린더를 그림에 보이는 검은색 고무패드로 고정시킵니다. 분석버튼을 누르면 메스실린더를 고정한 홀더가 위아래로 진동하면서 분말을 두드리게 됩니다. 일정 반복이 지난 후 측정한 질량과 메스실린더의 부피를 기준으로 "밀도 = 질량/부피" 식을 이용하여 탭밀도(Tap density)를 계산합니다.
겉보기밀도는 두드림 없이 시료를 메스실린더에 붓고 해당 질량과 부피를 계산한 값이 겉보기밀도(Bulk density)입니다.
| 순서 | 탭밀도 | 겉보기밀도 |
| 1 | 메스실린더에 시료를 넣음 | 메스실린더에 시료를 넣음 |
| 2 | 메스실린더 고정 | 최종적으로 안정화된 부피를 측정하여, 질량으로 나누어 겉보기밀도 계산 |
| 3 | 비를 이용하여 반복적으로 탭핑(진동)하여 분말을 다져줌 | |
| 4 | 최종적으로 안정화된 부피를 측정하여, 질량으로 나누어 탭밀도 계산 |
3. 탭밀도와 전극활물질간의 상관관계
- 에너지밀도 : 배터리 전극 제조 시 분말이 얼마나 조밀하게 쌓이는지 평가할 수 있습니다. 분말이 조밀하게 쌓인다는 것은 단위면적, 단위부피당 더 많은 양의 활물질이 올라갈 수 있다는 것을 의미합니다. 활물질=전지용량과 관계가 있으므로 결과적으로 에너지밀도가 증가합니다. 이해를 돕기 위해 논문(https://doi.org/10.1039/C6RA11052E)의 연구결과를 살펴보겠습니다.
Tapping 후의 각각의 NCM523 양극재에 대한 부피 비교입니다. 질량은 모두 같기 때문에 부피가 낮은 샘플일수록 탭밀도가 높은 경향을 보이고 있습니다. 따라서 탭밀도는 M7> D9> D6> D3 순서로 알 수 있습니다. 그렇다면 전기화학분석 시 어떠한 결과를 나타내는지 알아보겠습니다.
전기화학 평가결과 탭밀도가 높을수록 부피당 용량(Specific Volume Capacity)값이 높은 것을 확인할 수 있습니다. 그 의미는 위에서 언급한대로 탭밀도가 높기 때문에 더 많은 활물질이 같은 공간 내에 들어갈 수 있다는 것을 의미합니다. 또한 전기차에 더 많은 용량을 가용할 수 있다는 의미이기도 합니다. 이에 따라 양극재 및 음극재에서 탭밀도(Tap density)는 주요한 인자 중 하나인 것을 알 수 있습니다.
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