세계 에너지 환경은 재생 에너지로 구동되는 전기 중심 경제로 가속화되면서 심오한 변화를 겪고 있습니다. 이러한 전환의 핵심에는 리튬 이온 배터리(LIB) 기술이 있으며, 이는 전기 자동차(EV)의 부상을 촉진했을 뿐만 아니라 대규모 에너지 저장을 위한 경제적으로 실행 가능한 솔루션을 제공했습니다. 그러나 광범위한 EV 채택을 달성하려면 배터리 생산이 환경 기준을 유지하고 비용을 절감하면서 극적으로 확대되어야 합니다. EV, 고정형 저장 장치, 전동 공구 및 휴대용 전자 제품 전반에 걸쳐 LIB에 대한 급증하는 수요를 충족시키는 것은 중요한 과제를 제시합니다. 즉, 생산 능력을 확장하고, 비용을 절감하며, 제조의 탄소 발자국을 최소화하는 방법입니다.
이러한 과제를 정면으로 해결하여 LIB 생산에 혁명을 일으킬 준비가 된 혁신적인 접근 방식인 건식 전극(DBE) 기술을 소개합니다.
기존 LIB 제조는 활성 물질, 전도성 첨가제 및 바인더를 용매와 혼합하여 금속 호일에 코팅하고 건조하여 전극을 형성하는 슬러리 기반 공정에 의존합니다. 이 방법은 에너지 집약적이고 시간이 많이 걸리며 환경 및 건강 위험을 초래하는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 같은 유해한 용매가 필요합니다. NMP의 회수 및 폐기는 생산 비용을 더욱 증가시킵니다.
반대로 건식 전극 기술은 용매를 완전히 제거합니다. 대신 건조 분말 혼합물을 금속 호일에 직접 압착하거나 코팅하여 생산을 단순화하고 에너지 소비를 줄이며 환경 영향을 최소화합니다.
건식 전극 기술에 대한 현재 연구는 주로 음극 재료를 대상으로 합니다. NMP는 기존 음극 생산에 필수적인 반면, 양극 재료는 이미 수성 공정을 사용하여 제조할 수 있기 때문입니다. 이 기사에서는 이러한 추세를 따라 건식 처리된 음극의 구조-성능 관계를 자세히 살펴봅니다.
연구에 따르면 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 기반 건식 코팅 공정을 통해 NMC, NCA, NCMA, LFP, LMO, LMNO 및 LCO를 포함한 다양한 음극 활성 물질(CAM)로 전극을 성공적으로 생산할 수 있습니다. 건식 처리된 전극은 습식 공정을 통해 제조된 전극과 비교할 만한 속도 및 사이클 성능을 나타내며 DBE 기술의 실행 가능성과 잠재력을 강조합니다.
전극 성능은 활성 물질의 화학적 조성뿐만 아니라 입자 크기 분포, 제형 및 첨가제와 같은 매개변수에 따라 달라집니다. 다음은 사례 연구를 통해 탐구된 세 가지 중요한 요소입니다.
Matthews et al.은 PTFE 기반 NMC622 전극의 미세 구조 및 전기화학적 성능을 분석하여 섬유화 공정에 대한 정성적 설명을 중점적으로 다루었습니다. 주사 전자 현미경(SEM)은 NMC 표면에 PTFE가 고정되고 이후 결정 단위가 분리되는 것을 보여주었습니다. 1% PTFE 함량에서 전극은 마이크로미터에서 나노미터 범위의 직경을 가진 1차 및 2차 섬유의 계층적 네트워크를 형성했습니다. 습식 처리된 전극과 비교하여 건식 전극은 낮은 이온 확산 저항, 약간 향상된 용량 유지율(C/3에서 200 사이클 후) 및 우수한 속도 성능(0.1–2C)을 나타냈습니다. 이러한 결과는 PTFE-활성 물질 상호 작용을 조정하는 방법이 전극 미세 구조 및 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 강조합니다.
Tao et al.은 압축 하중(22%, 32%, 39%)을 통해 다공성을 조정하여 미세 구조 변화가 NMC 음극의 전기화학적 운동에 미치는 영향을 조사했습니다. 그러나 압축은 또한 NMC 입자 파괴를 유발했습니다. 연구에 따르면 전극 시트 저항은 중간 다공성에서 최적화되었습니다. 높은 다공성은 과도한 공극 부피로 인해 저항을 증가시킨 반면, 낮은 다공성은 파괴된 입자 간의 열악한 전자 연결로 인해 저항을 증가시켰습니다. 전하 이동 저항 또한 중간 다공성에서 최소값에 도달하여 전하 이동을 위한 충분한 공극 공간과 더 짧은 리튬 이온 확산 경로를 위한 조밀한 구조 사이의 균형을 나타냅니다. 32% 다공성 전극은 가장 높은 속도 성능을 제공하여 최적의 다공성 범위를 나타냈습니다. 그러나 압축 하에서 입자 파괴는 특히 고품질, 저다공성 얇은 코팅을 달성하는 데 한계를 드러냈습니다. 고압 하에서 입자 파괴의 잠재적인 부정적인 영향을 평가하기 위해 장기 사이클 테스트가 필요합니다.
Oh et al.은 불활성 물질이 전극 성능에 미치는 영향에 대한 또 다른 관점을 제시했습니다. 유사한 중간 입자 크기 및 충전 밀도를 가진 두 가지 PTFE 유형을 사용하여 건식 공정을 사용한 결과, 더 높은 압출 비율의 바인더가 더 쉽게 섬유화되어 낮은 토구성과 약간 더 나은 전기화학적 성능을 얻었습니다. 2% PTFE 함량에서 10 mAh cm−2 로딩의 전극은 0.5C에서 80% 방전 용량을 달성했습니다.
약속에도 불구하고 DBE 기술은 대규모 산업 채택 전에 몇 가지 장애물에 직면해 있습니다.
그러나 이러한 과제는 상당한 기회와 일치합니다.
건식 전극 기술은 엄청난 잠재력을 가진 LIB 제조의 획기적인 도약을 나타냅니다. 과제가 지속되지만, 재료 제형, 공정 개선 및 장비 혁신에 대한 지속적인 발전은 DBE가 비용 절감, 에너지 밀도 개선 및 지속 가능성 향상에 중추적인 역할을 할 수 있도록 합니다. 연구가 심화되고 산업화가 진행됨에 따라 DBE 기술은 지배적인 생산 방법으로 부상하여 EV 혁명을 추진하고 글로벌 에너지 전환을 지원할 수 있습니다. 재료 비율을 개선하고, 공정을 최적화하며, 미세 구조-성능 관계에 대한 이해를 심화함으로써 업계는 DBE의 잠재력을 최대한 발휘하여 배터리 기술을 더 깨끗하고 효율적인 미래로 이끌 수 있습니다.
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