나노초 레이저를 이용한 이중 코팅 리튬 금속 음극 절단: 확장성 있는 전극 제조 공정 구현

국문 초록 (Abstract)

고에너지 밀도 리튬 금속 배터리(LMB)로의 전환은 기존 리튬 이온 배터리의 한계를 넘어 전기자동차(EV) 기술의 발전에 필수적이다.
LMB 생산 확대를 위한 주요 과제는 기계적 절단 도구에 강하게 달라붙어 작업을 저해하는 리튬의 금속(LiM) 음극을 정밀하고 오염 없이 절단하는 것이다. 본 연구에서는 이중 코팅 LiM 음극 제조의 확장성 있는 대안이라 할 수 있는 비접촉식 고속 레이저 절단을 살펴본다.
여기서는 나노초 펄스 레이저 시스템을 사용하여 8μm 구리 집전 장치의 양쪽에 적층된 30μm LiM 포일에서 펄스 지속 시간 및 펄스 에너지, 반복 주파수, 스캔 속도의 영향을 체계적으로 평가했다. 그 결과, 선에너지(line energy) 0.06667J/mm에서 단일 패스 절단 최고 속도 3.0m/s에 도달했고, 성공적인 커프(kerf) 형성을 위해서는 최소 펄스 에너지(> 0.4mJ)와 피크 출력(> 2.4kW)이 모두 필요하다는 사실을 알 수 있었다.
절단 가장자리 분석 결과, 펄스 지속 시간(72ns)이 짧으면 커프 너비 및 열 영향부(HAZ), 돌출부(bulge) 높이가 현저히 감소했는데, 여기서는 증발 절제 공정으로 전환되더라도 반동 압력으로 스패터가 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다. 최적의 가장자리 품질은 에너지 전달과 열 제어가 균형을 이루는 중간 수준의 펄스 지속 시간(261~508ns)에서 나타났다.
이러한 연구 결과는 이중 코팅 LiM 배터리 음극의 고속 고정밀 절단을 위한 주요레이저 매개변수 임계값 및 공정 창을 정의하며, 확장성 있는 LMB 전극 제조에서 나노초 레이저 시스템의 산업적 채택을 뒷받침한다.