리튬이온배터리 / 리튬이온 2차전지 전극에서 바인더의 역할

리튬이온이차전지 전극에서 바인더의 역할

리튬이온 2차전지의 전극 요소

리튬이온배터리에서의 전극은 활물질과 도전재 그리고 바인더로 이루어져 있다.

전기화학적으로 용량을 직접적으로 발현하는 활물질과 전극의 전도성을 위한 도전재, 그리고 전극의 공정성을 위한 바인더가 있다. 오늘은 이 중 바인더의 종류와 현재 상용되고 있는 바인더, 그리고 현재 연구가 진행되고 있는 바인더와 그에 대한 한계점에 대해서 공부해보려고 한다.

 

바인더

바인더는 전극을 집전체(Cu foil 혹은 Al foil)에 잘 붙게 해주는 접착제의 역할을 한다.

바인더는 유기계 전극공정이나 수계 전극공정에 따라서 쓰이는 바인더가 다르다.

 

NMP 용매를 사용하는 유기계 전극공정은 주로 양극에서 쓰이며 이때의 바인더는 PVdF로 이는 입자사이를 선으로 연결하여 접착력을 유지하는 선 접촉형 바인더다.

Water 용매를 사용하는 수계 전극공정은 주로 음극에서 쓰이며 이때의 바인더는 SBR와 CMC를 섞어서 사용한다. 이때 SBR/CMC 바인더는 점 접촉형 바인더다.

PVdF 와 SBR/CMC 바인더

 - PVdF 바인더

현재 가장 많이 쓰이고 있는 바인더이며, 특히 양극의 경우 수계 전극공정이 어려워 유기계 공정이 주를 이루고 있는 바람에 양극에서 많이 사용되고 있는 바인더다. 

 

NMP 용매에 잘 녹고 도전재의 분산성이 우수하다.

PVdF 바인더

 - SBR/CMC 바인더

SBR과 CMC 바인더는 같이 쓰이는 바인더이며 용매에 녹지 않아 현탁액 상으로 쓰인다.

특히 둘의 비율이 중요한데, 둘의 밸런스가 무너지게 되면 공정성에서 전극 코팅 시 전극이 불균일하게 코팅될 수 있다.

 

이 중 CMC의 역할은 증점제의 역할로 전극 슬러리에 점도를 높여주는 역할을 한다. 

다만 CMC 단독으로 사용할 경우에는 전극이 딱딱해져서 전극의 winding시 전극이 손상 될 수 있다.

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SBR/CMC 바인더

차세대 바인더

1. Li-PAA / Na-PAA

 

PAA바인더는 실리콘 음극에 사용되면 시너지 효과를 낼 수 있는 바인더다. 

PAA바인더가 전극을 딱딱하게 잡아주어 실리콘의 부피팽창을 완화시켜 줄 수 있지만,

그로 인해 전극의 공정성이 나오지 않기 때문에 현재 상용화되기엔 조금 어려울 수 있다.

 

2. PTFE

 

전극의 두께를 높이는 공정에 적합한 공정으로 용매를 따로 사용하지 않아도 돼 

건조공정을 축소할 수 있어 경제성과 생산성이 용이하다는 평가를 받고 있지만,

전극의 두께조절이 어렵고, 양극에서밖에 사용이 어렵다.

 

3. conductive binder

 

전도성을 가지고 있는 바인더로 주목을 많이 받았지만,  결국은 접착력과 도전성이 어중간하게 된 바인더.