리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery)_집전체

집전체의 역할

리튬이온 배터리(Lithium-Ion Battery)는 전기 에너지를 저장하고 방출하는 데 사용되는 전지로, 다양한 전기 기기와 전기차 등에 널리 사용됩니다. 리튬이온 배터리의 핵심 구성 요소 중 하나는 집전체(Collector)입니다. 배터리 내부에는 배터리를 충∙방전할 때 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 집전체가 있는데, 집전체는 머리카락보다 얇은 약 10μm 두께의 막으로 1) 배터리의 확성 물질과 외부 회로를 연결하여 전자가 원활하게 이동할 수 있도록 합니다. 또한, 2) 전극물질을 지지하여 기계적 안정성을 제공하며, 3) 전극과 외부 단자 사이의 전기적 연결을 보장하기도 합니다.

 

집전체의 재료

집전체의 소재는 음극과 양극으로 나뉘는 극판의 종류에 따라 나뉩니다. 양극 집전체의 경우 주로 알루미늄(AI)을 사용합니다. 알루미늄은 가벼우면서도 높은 전도성을 가지고 있어 양극에서의 전자 이동을 효율적으로 도우며, 부식에 강해 배터리의 수명을 연장시킵니다. 음극 집전체의 경우 주로 구리를 사용하는데, 구리는 매우 높은 전도성을 가지며, 음극에서의 전자 이동을 촉진합니다. 하지만, 무겁고, 특정 환경에서 부식될 수 있어 이를 방지하기 위한 코팅과 같은 처리 기술이 사용되기도 합니다.

 

집전체의 구조

극판의 종류에 따라 제조기술 또한 달라지는데, 양극용 알루미늄 포일은 압연 공정을 통해 알루미늄 조각을 얇고 고르게 펴냅니다. 하지만, 음극용 구리 포일은 전해 도금 공정을 통해 구리 와이어를 용해하는 과정을 거쳐 제조합니다.

 

집전체의 제조공정

박판 구조: 집전체는 매우 얇은 박판 형태로 제조됩니다. 이는 배터리의 부피와 무게를 최소화하면서도 높은 전도성을 유지하기 위함입니다.

코팅: 집전체 표면에는 전극 물질이 코팅됩니다. 이 코팅 공정은 슬러리(slurry) 형태의 전극 물질을 집전체 표면에 균일하게 분포시키는 과정을 포함합니다.

건조 및 압착: 코팅된 집전체는 건조 과정을 거쳐 전극 물질이 고체화됩니다. 이후 압착 과정을 통해 전극 물질과 집전체 사이의 밀착도를 높여 전도성을 향상시킵니다.

 

최신 연구 동향

비산화그래핀 기반 집전체: 비산화그래핀은 높은 전도성과 기계적 강도를 가지며, 이는 기존의 금속 집전체를 대체하거나 보완하는 데 유용합니다. 이러한 집전체는 배터리의 성능과 내구성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

나노구조 집전체: 나노구조 기술을 적용한 집전체는 전극 물질과의 접촉 면적을 극대화하여 전도성을 향상시킵니다.

복합 재료 집전체: 금속과 비금속 재료를 혼합한 복합 재료 집전체는 각각의 장점을 결합하여 전도성, 경량성, 내구성을 모두 향상시키는 방향으로 연구되고 있습니다.