Since 1990s, Li ion battery has been used for cell phone, note PC and various mobile devices. Recently this battery technology was also adopted for xEVs (hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, battery electric vehicles) which were the hot trends in automotive industry.
For the vehicle applications, Li ion battery must have the various characteristics as follows:
- high energy & power density at room & low temperature
- good cycle life and high temperature calendar life
- good abuse tolerance
- low cost
For these targets, Battery makers have been focused on new cathode and anode materials, but the material developments of anode and cathode are progressing very slowly. $LiCoO_2$ and graphite which were developed in the early stage of Li ion battery are still main cathode and anode materials. $LiMn_2O_4$ and $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ cathodes which are main cathodes for xEVs are not new materials in the battery industry.
Many researchers have developed Si-based anode and Li-rich cathode materials over several years. But for commercial adoption for electric vehicles, these materials have many barriers to overcome. Actually energy density is not the only one requirement for xEVs. Low temperature performance, cycle life and calendar life are also inevitable requirements for xEVs.
To overcome the problems of present active materials, we performed researches about electrode binders instead of active materials in this thesis. The amount of binder is very small in electrode, but binder can play an important role for increasing physical properties and cell performances. But up to now, most binder researches targeted the silicon anode and binder researches on conventional electrodes are progressing slowly.
In this thesis, we will review two binders; one is Na-alginate and the other is spandex.
Na-alginate binder was tested for both anode and cathode to confirm the possibility of commercialization. Through the tests of applying Na-alginate, we found that this binder could improve the cell performance partially but was not perfect for commercialization at this time.
Spandex binder was tested for $LiFePO_4$ cathode. Despite of using same organic solvent, spandex binder showed good cell performance compared to conventional PVDF binder.
1990년대 이후, 리튬이차전지는 휴대폰, 노트북을 비롯한 다양한 소형 모바일 기기에 사용되고 있다. 뿐만 아니라 최근에는 자동차 산업의 최대 화두인 xEVs (hybrid electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, battery electric vehicles)에도 적용이 확대되고 있는 추세이다.
자동차용 전지에의 적용을 위해서, 리튬이차전지는 다음과 같은 다양한 특성들을 모두 만족해야만 한다.
- 상온, 저온 고에너지, 고출력 밀도
- 우수한 Cycle 및 고온저장 수명
- 우수한 안전성
- 저 가격
이러한 요구사양을 만족하기 위해서, 배터리 업체들은 신규 양극, 음극 소재개발에 매진하고 있으나, 그 개발속도는 현저히 느린 실정이다. 리튬이차전지 초창기 당시 개발된 $LiCoO_2$ 와 흑연은 여전히 주요소재로 사용되고 있다. 최근 xEV용으로 주로 사용되고 있는 $LiMn_2O_4$ 와 $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ 양극재 또한 배터리 분야에서 새로운 소재라고 보기는 어렵다.
최근 수년 간 많은 연구원들이 Si계 음극 및 Li-rich 양극소재 개발을 해오고 있지만, xEV용으로 상업적으로 채택되기에는 극복해야 할 문제들이 많이 남아있다. 실제로 xEV에 적용되기 위해서는 에너지밀도만 높아서는 되지 않는다. 저온 성능, Cycle수명, 저장 수명 또한 xEV에의 적용을 위한 필수불가결한 요구사양이다.
현재 사용중인 상용 활물질의 문제점을 극복하기 위해, 본 학위논문에서는 신규 활물질 대신, 전극용 바인더에 대한 연구를 수행하였다. 바인더는 전극에서 사용되는 양이 비록 수% 수준으로 미미하지만, Cell 성능에 매우 큰 영향을 주는 주요한 요소로 알려져 있다. 하지만 아직까지 리튬이차전지용 바인더에 대한 연구는 주로 Si계 음극활물질에 대해서 활발히 진행 중이고, 기존 소재에 대한 바인더 연구는 지지부진한 상황이다.
본 학위논문에서, 우리는 2종류의 바인더를 검토하였다. 하나는 Na-alginate 바인더이고, 나머지 하나는 Spandex 바인더 이다.
Na-alginate바인더는 음극 과 양극에 적용하여 각각 테스트를 진행하였고 상용화 가능성을 검토해 보았다. Na-Alginate 바인더 적용을 통해 기존 바인더 대비, 일부 특성의 개선을 확인 하였으나 완벽한 상용화를 위해서는 일부 추가 개선이 필요함을 확인하였다.
Spandex 바인더는 $LiFePO_4$ 양극에 적용하여 테스트를 진행하였으며, 기존 바인더인 PVDF 바인더와 동일한 용매를 사용하면서도 공정성 및 Cell 특성이 우수함을 확인하였다.
