[2차전지/이차전지] 집전체의 역할

이차전지 집전체의 역할

이차전지 집전체의 역할

집전체

여러분들은 이차전지/2차전지 배터리에 들어가는 전극의 요소 중 어떤 요소가 가장 중요하다고 생각하는가?

배터리에 들어가는 전극은 활물질, 도전재, 그리고 바인더 등이 들어가지만

이에 못지 않게 중요한 요소가 집전체다.

집전체는 전극을 이루고 있는 금속으로 호일 형태의 얇은 금속판을 사용한다.

 

통상적으로 활물질과 도전재, 그리고 바인더의 필요성에 대해서는 많은 문헌이나 블로그 글들이 많지만,

그에 비해 집전체의 역할과 그 중요성에 대해서 다루는 포스팅이 몇 개 없다.

 

하여, 이번 포스팅은 전극을 이루는 구성성분 중 집전체가 무엇인지부터 어떤 역할을 하고, 얼마나 중요한 지 알아볼 예정이다.

 

집전체란?

집전체는 전극을 지지하는 얇은 금속판이라고 할 수 있다.

전극의 슬러리가 코팅되는 판으로,

음극은 구리호일을 쓰고, 양극은 알루미늄 호일을 쓰는 게 통상적이라고 볼 수 있으며,

보통 수십 um의 두께를 가진다.

구리호일

알루미늄 호일

음극에서 구리호일을 사용하는 이유

: 음극은 저전압에서 거동되는 전극으로 집전체 역시 저전압 (~0.01V)까지 버텨야 한다.

  저전압까지 버티는 금속 중 성형이 용이하고 그나마 저렴한 구리를 음극의 집전체로 사용하고 있다.

 

양극에서 알루미늄호일을 사용하는 이유

: 양극은 고전압에서 거동되는 전극으로 집전체가 고전압 (~ 4.3 V)까지 버텨야 한다.

 특히 알루미늄은 air에서 표면에 Al2O3 층을 형성하여 Al의 보호막 역할을 해주기 때문에 이온화경향이 높음에도 불구하고 air나 고전압 구간에서 사용이 가능하다.

 - Al은 air에 노출되면 Al2O3 layer를 표면에 만들게 되고, 이 층이 추가적인 산화를 막하주는 보호막 역할을 하게 된다.

 

 

* 가격적인 측면에서 구리호일이 알루미늄호일 보다 훨씬 비싸지만, 알루미늄은 저전압에서 분해되어버리기 때문에 사용하지 못하고 있다.

 

집전체의 역할

 

집전체가 없는 전극이 배터리에 들어갔을 때 과연 구동이 되는 가? 라고 묻는다면 단연코 아니라고 할 수 있다.

수많은 집전체-free 논문이 나오고 있지만, 그런 논문들은 coin-cell 수준에서 진행된 논문이 거의 대부분이라고 할 수 있다.

 

집전체의 역할에 대해서 설명을 하려면 왜 집전체가 없으면 돌아가지 않는 지 확인을 해야한다.

 

배터리의 구동은 전기화학 반응을 기반한다고 볼 수 있다.

전기화학 반응에서 중요한 건 전자의 흐름이라고 볼 수 있다.

우리가 흔히 생각을 해본다면, 전기가 잘 흐르기 위해선 도체에 가까운 물질이 사용되어야 한다는 것을 알 수 있을 것이다.

 

배터리에 들어가는 전극도 마찬가지다. 전자의 흐름이 중요한 요소로서 집전체는 필수적이라고 할 수 있다.

전자의 흐름이 중요하기 때문에 상용화되고 있는 배터리 전극의 집전체는 모두 금속판을 사용하고 있다.

 

* 집전체의 역할 : 전자의 흐름 원활, 전자를 고르게 분산

 

 

집전체의 연구

사실 집전체 연구 중 가장 관심을 받는 건, 집전체를 전혀 쓰지 않는 집전체-free에 대한 연구다.

그리고 집전체에 산처리나 기타 처리를 함으로써 전극과 집전체의 표면 전도도를 향상하는 집전체도 계속 연구가 되어지고 있다.

또한 집전체가 차지하는 부피를 줄이기 위해 극한으로 얇은 집전체에 대한 연구도 같이 진행되고 있다.