Solvent-free film fabrication method for secondary lithium-ion battery applications
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan University, 2023
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan university : Department of Polymer Science and Engineering 2023. 8
발행연도
2023
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
ix, 85 p. : col. ill., charts ; 30 cm
일반주기명
Adviser: Jae-Do Nam
Includes bibliographical reference
UCI식별코드
I804:11040-000000175300
DOI식별코드
소장기관
리튬이온배터리는 처음 개발된 이후 현재까지 우리의 일상에 큰 변화를 준 에너지 저장 시스템이다. 특히, 여타 배터리에 비해 매우 우수한 부피 및 질량 에너지 용량 및 파워 성능은 전자기기의 휴대성을 제공하였으며 최근에는 그 친환경성을 인정받아 에너지 저장 시스템 및 전기자동차에 적용되어 앞으로도 매우 유망한 산업이다. 하지만, 비록 리튬이온배터리가 구동 시에는 오염물질을 방출하지 않지만 이를 제조하는 공정은 아직까지 많은 에너지를 소모할 뿐만 아니라 환경을 오염시키는 유기용매를 많이 사용한다는 단점이 있다. 또한, 구동 시 발생하는 열을 원활히 방출하지 못할 시 배터리의 온도가 올라가서 발생하는 열폭주 현상의 해결이 시급한 상황이다. 따라서, 본 연구진은 이를 해결하기 위하여 기존 슬러리 코팅을 통해 제조되었던 전극을 용매를 사용하지 않고 제조하는 방식으로 대체하고자 하며, 더욱 우수한 안정성과 성능을 달성하기 위한 전도성 탄소층 코팅 연구를 수행하였다. 뿐만 아니라 해당 기술에서 활용하였던 건식 시트 제조 공정을 열전도 및 난연성을 동시에 보유하는 복합소재의 합성에 적용함으로써 전기자동차의 열 안정성 향상 및 화재 위험성 저하에 크게 기여하는 연구를 수행하였다.
더욱 자세히, 첫번째 연구에서는 건식 전극 제조를 위한 공정의 설립과 각 공정의 최적화를 진행하였다. 해당 공정은 파우더 교반, 시트 형성, 시트 압축, 그리고 기재 위의 코팅의 공정 순으로 진행되었으며 각 공정에서 변수로 작용하는 교반 온도, 롤 갭 제어, 롤 온도 제어 등을 수행함으로써 최적의 조건을 확립하는 것에 성공하였다.
두번째 연구에서는 해당 건식 전극층을 기재위에 코팅할 시 더욱 안정적이고 우수한 상용성을 제공하기 위한 전도성 탄소 층 코팅 연구를 수행하였다. 해당 층의 조성 최적화를 통해 전기전도성과 기계적 물성의 향상을 달성하였으며 이는 기존 건식 공정으로 제조된 전극의 활용 가능성을 더욱 높이는 역할을 수행할 것으로 사료된다.
마지막 연구에서는 앞선 건식 전극 제조 공정과 유사한 공정을 통해 높은 열전도성과 난연성을 동시에 보유하는 다기능성 복합소재 시트 제조를 진행하였다. 그 결과 상용되고 있는 소재와 견줄만한 열전도도를 보유하면서 불연성을 보유하는 복합소재의 합성에 성공하였다. 이는 배터리의 열 안정성을 크게 향상시킬 수 있어 전기자동차 시장의 급성장에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
Firstly, the dry electrode fabrication process and its optimization were investigated. The polytetrafluoroethylene (PTFE) was used as binder as the PTFE can be fibrillated under shear stress. The binder, active material powders, and conductive additive powders were homogeneously mixed by high-speed mixer and extruder. Then, the powders were roll-milled to form sheet structure and the sheet was additionally roll-milled for the compaction. Then, the electrode sheet was laminated on the current collector. For each step, the temperature number of repetitions, and pressure were optimized.
Secondly, laminating conductive carbon layer (CCL) on the current collector was investigated. Without any treatment, the electrode layer fabricated by dry electrode method could not be well attached on the current collector since the adsorption force is low and this could result cell performance deterioration as the electrical resistance increases. Hence, the CCL was coated on the current collector before the electrode sheet was laminated to attach electrode and current collector more strongly and enhance electrical conductivity. The CCL is composed of binder, matrix, and carbon black and the ratio between them were controlled following the peel strength and interface resistance characteristics.
Finally, the thermally conductive and flame-retardant multi-functional composite sheet was invented fabricated by the solvent-free method similar to the method used in the dry electrode fabrication process for the enhancement of thermal stability of the electric vehicles (EVs). In EVs, a lot of batteries are integrated and closely packed and thus the heat generated from the cell operation should be well dissipated. If the heat accumulated in the cell, the battery fire could be happened and this combustion is very radical emitting large energy. To prevent the situation and mitigate the fire, the composites must contain thermally conductive fillers and lots of heat-absorbing flame-retardant. Since the small amount of PTFE fibrils could bind large amounts of fillers owing to their large surface area, the large amount of fillers could be contained and hence the result composites showed good thermal conductivity and outstanding incombustible properties.
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