PVDF, CMC, PAA 등 리튬 배터리 바인더
Jun 15, 2025
리튬 이온 배터리(LIB)의 전극은 주로 전기화학적 활성 전극 물질, 전도성 첨가제, 바인더, 집전체 및 기타 구성 요소로 구성됩니다. 이 중 바인더는 LIB 전극의 핵심 구성 요소입니다. 바인더는 활물질과 전도성 물질을 집전체에 단단히 부착시켜 완전한 전극 구조를 형성합니다. 또한 충방전 과정에서 활물질의 탈락이나 박리를 방지하고 활물질과 전도성 물질을 균일하게 분산시킵니다. 이를 통해 유리한 전자 및 이온 전달 네트워크를 형성하여 전자와 리튬 이온의 효율적인 이동을 촉진합니다. 현재 전극 바인더로 사용되는 물질에는 폴리비닐리덴플루오라이드(poly(vinylidene fluoride))가 있습니다. (PVDF) , 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴산( 파아 ), 폴리비닐알코올(PVA), 알긴산나트륨(Alg), β-사이클로덱스트린폴리머(β-CDp), 폴리프로필렌 에멀젼(LA132), 폴리테트라플루오로에틸렌( PTFE ), 및 이와 유사한 것들과, 단량체에 의해 형성된 상기 언급된 중합체 또는 공중합체의 기능화된 유도체도 포함된다. 리튬 이온 배터리(LIB) 전극에서 이상적인 바인더 성능은 다음을 포함해야 합니다. (1) 주어진 전극/전해질 시스템에서의 화학적 및 전기화학적 안정성, 전해질 부식에 대한 저항성, 작동 전압 범위 내에서 산화환원 반응이 발생하지 않음. (2) 용해성이 좋아야 하며 용해속도가 빠르고 용매에 대한 용해성이 높아야 하며, 필요한 용매는 안전하고 환경친화적이며 무독성이어야 하며, 수성 용매가 선호된다. (3) 슬러리 혼합을 용이하게 하고 슬러리 안정성을 유지하기 위해 적당한 점도를 가져야 하며, 동시에 강한 접착력을 가져야 하므로 높은 박리 강도, 우수한 기계적 성질, 낮은 바인더 사용량을 갖는 전극을 얻을 수 있습니다. (4) LIB의 충전-방전 사이클 동안 전극 취급 및 활성 물질 입자의 부피 변화 동안 굽힘을 견딜 수 있는 우수한 유연성을 보여야 합니다. (5) 전도성 물질과 이상적인 전도성 네트워크를 형성하여 양호한 전기 전도도와 리튬 이온 전도 기능을 가진 전극을 형성할 수 있어야 합니다. (6) 널리 보급되어야 하며 비용이 저렴해야 합니다. 본 논문은 LIB 전극 바인더와 관련된 최근 연구 성과를 요약하며, 전극 내 바인더의 접착 메커니즘과 현재 LIB 전극에서 일반적으로 사용되는 유성 및 수성 바인더에 초점을 맞추고 있습니다. 1 리튬이온전지 전극 내 바인더의 접착 메커니즘 LIB 전극 제조 공정은 일반적으로 네 단계로 구성됩니다. 다양한 재료(전극 활물질 포함)를 용매에 혼합하여 배터리 슬러리를 형성하고, 슬러리를 집전체에 코팅하고, 건조하고, 압연하는 단계입니다. 일반적으로 LIB 전극은 이온과 전자의 공급원 역할을 하는 활물질 입자(AM), 이온 전도를 위한 전해질로 채워진 기공 공간, 그리고 전도성을 제공하는 탄소 결합제 도메인(CBD)의 세 가지 구성 요소로 구성된다고 알려져 있습니다. CBD는 일반적으로 고분자 바인더로 연결된 탄소 나노입자로 구성되는 반면(그림 1), 전극 제조에 필요한 전구체 슬러리는 CBD 내에 부유하는 마이크로미터 크기의 활물질(AM) 입자로 구성됩니다. CBD는 전극 내 이온과 전자의 전달 효율뿐만 아니라 전해질과 접촉하는 활물질 표면에 형성되는 부동태화층(예: 고체 전해질 계면[SEI] 및 양극 전해질 계면[CEI] 필름)의 품질에도 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 CBD는 전극 제조 공정에서 중요한 역할을 합니다. CBD가 부족하면 전극 연결성이 떨어져 전자 전달이 원활하지 않고 전극의 기계적 강도가 저하됩니다. CBD가 과도하면 배터리의 자중과 부피가 증가하고 이온 전달 속도가 느려질 수도 있습니다. Zielke 외 연구진은 X선 컴퓨터 단층촬영(CT)과 가상 설계를 결합한 새로운 접근법을 사용하여 두 가지 탄소 결합 도메인(CBD) 모델이 리튬 이온 배터리(LIB) 전극의 고체 전해질 계면(SEI) 필름의 표면적, 굴곡도, 그리고 전기 전도도에 미치는 영향을 비교했습니다. 연구 결과는 CBD 함량이 충전 및 방전 조건 모두에서 리튬 이온 배터리의 수송 매개변수에 상당한 영향을 미치는 반면, CBD의 형태는 방전 상태에만 중요한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 프래셔 연구팀은 입자 간 콜로이드 상호작용과 유체역학적 상호작용을 통합한 미세유동 모델을 제안했으며, 이 모델을 사용하여 전도성 탄소 나노입자와 고분자 바인더 현탁액, 그리고 전체 양극 슬러리의 점도를 예측했습니다. 연구 결과는 탄소 나노입자 입자 간의 상호작용이 입자 대 고분자 바인더 비율과 고분자 바인더의 분자량에 크게 의존함을 보여주었습니다. 또한, 입자 간 상호작용의 변화는 입자의 자기조립 구조에 명확하게 반영되었으며, 이는 슬러리의 점도로 나타납니다. Srivastava 등은 입자 동역학 및 콜로이드 동역학 시뮬레이션을 통해 활성 물질(AM)과 탄소 결합제 도메인(CBD) 사이의 접착력과 CBD 내부의 응집력이 전극 미세 구조와 전기화학적 전달과 관련된 주요 특성(이온 전달 굴곡성, 전자 전도도, 사용 가능한 활성 물질(AM)-전해질 계면 영역 등)에 미치는 영향을 설명했습니다. 리튬 이온 배터리용 2가지 공통 전극 바인더 2.1 폴리비닐리덴플루오라이드(석유계) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)는 가장 초기에 사용된 바인더 중 하나입니다. 높은 기계적 강도와 넓은 전기화학적 안정성 범위를 나타내어 리튬 이온 배터리(LIB)를 포함한 다양한 시스템에서 배터리 전극 바인더로 널리 사용됩니다. 리튬 이온 배터리 산업의 대량 생산에서는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 N,N-디메틸포름아미드(DMF)와 같은 강한 극성을 가진 유기 화합물이 용매로 일반적으로 사용됩니다. PVDF는 먼저 이러한 용매에 용해되어 지용성 용액을 형성한 후, 이를 리튬 배터리 바인더로 사용합니다. Zhong et al.은 밀도 함수 이론(DFT) 시뮬레이션과 LIB 전극의 AM 입자와 바인더 사이의 결합 계면 분석을 통해 리튬 ...
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