집전기는 리튬 이온 배터리의 필수 구성 요소로, 활성 물질을 운반할 뿐만 아니라 전극의 활성 물질에서 생성된 전류를 수집하여 출력하는 역할을 합니다. 리튬 이온 배터리의 내부 저항을 줄이고 쿨롱 효율, 사이클링 안정성 및 속도 성능을 개선하는 데 도움이 됩니다.
리튬 이온 배터리에 이상적인 집전기는 몇 가지 기준을 충족해야 합니다.
(1) 높은 전기 전도도, (2) 우수한 화학적 및 전기화학적 안정성, (3) 높은 기계적 강도, (4) 전극의 활성 물질과의 호환성 및 강한 결합력, (5) 경제성 및 가용성, (6) 경량성.
그러나 실제 적용 시에는 다양한 집전체 재료마다 고유한 문제가 있어 앞서 언급한 멀티스케일 요구 사항을 모두 충족하기가 어렵습니다. 예를 들어 구리는 높은 전위에서 산화되기 쉽기 때문에 음극용 집전체로 적합합니다. 반면 알루미늄은 음극용 집전체로 사용할 경우 부식 문제가 발생하기 때문에 양극용 집전체로 더 적합합니다. 현재 리튬 이온 배터리에는 구리, 알루미늄, 니켈, 스테인리스 스틸, 금속 복합재, 탄소 및 기타 반도체 소재 등의 소재가 집전체로 사용되고 있습니다.
구리는 은에 이어 전기 전도도가 높은 우수한 금속 전도체입니다. 구리는 풍부한 자원, 경제성, 우수한 연성이라는 장점을 가지고 있습니다. 하지만 구리는 높은 전위에서 산화되기 쉽기 때문에 일반적으로 흑연, 실리콘, 주석, 코발트-주석 합금과 같은 음극 활물질의 집전체로 사용됩니다. 일반적인 구리 집전체에는 구리 호일, 폼 구리, 구리 메쉬, 3차원 나노 구조 구리 어레이 등이 있습니다.
동박은 생산 공정에 따라 압연 동박과 전해 동박으로 다시 분류할 수 있습니다. 전해 동박에 비해 압연 동박은 전기 전도도가 높고 연신율이 우수하여 높은 굽힘이 필요하지 않은 리튬 이온 배터리에 적합합니다. 연구에 따르면 동박의 표면 거칠기를 높이면 집전체와 활물질 사이의 결합 강도가 향상되고 활물질과 집전체 사이의 접촉 저항이 감소하여 결과적으로 배터리의 속도 방전 성능과 사이클링 안정성이 향상되는 것으로 나타났습니다.
폼 구리는 스펀지와 유사한 3차원 다공성 물질로 가볍고 강도가 높으며 표면적이 넓은 것이 특징입니다. 실리콘과 주석은 이론 용량이 높은 유망한 음극 활물질이지만, 사이클링 중에 상당한 부피 변화와 분쇄가 발생하여 배터리 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 폼 구리 전류 수집기는 실리콘 및 주석 음극 활물질의 부피 변화를 억제하고 분쇄를 완화하여 배터리 성능을 개선할 수 있습니다.
알루미늄의 전기 전도도는 구리보다 낮지만, 알루미늄 와이어는 같은 양의 전하를 운반하는 데 구리 와이어의 절반 질량만 필요합니다. 따라서 알루미늄 집전체를 사용하면 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이는 데 도움이 됩니다. 또한 알루미늄은 구리에 비해 비용 효율이 더 높습니다. 리튬 이온 배터리의 충전/방전 과정에서 알루미늄 호일 집전체는 표면에 조밀한 산화막을 형성하여 내식성을 향상시킵니다. 그 결과 알루미늄 호일은 일반적으로 리튬 이온 배터리의 양극용 집전체로 사용됩니다. 구리 호일 집전체와 마찬가지로 표면 처리를 통해 알루미늄 호일의 표면 특성을 개선할 수 있습니다. 직류 에칭은 알루미늄 호일 표면에 벌집 모양의 구조를 만들어 양극의 활성 물질과 더 긴밀하게 결합하고 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 성능을 향상시킵니다. 그러나 실제로 알루미늄 집전체는 표면 패시베이션 필름의 파괴로 인해 심각한 부식이 발생하여 리튬 이온 배터리의 성능이 저하되는 경우가 많습니다. 따라서 에칭된 알루미늄 호일의 표면 처리를 최적화하여 내식성을 높이고 보다 안정적인 패시베이션 필름을 형성하는 것이 필요합니다.
니켈은 산성 및 알칼리성 용액에서 전도성과 안정성이 좋은 비교적 저렴한 금속입니다. 따라서 니켈은 양극 및 음극 전류 수집기로 모두 사용할 수 있습니다. 리튬 인산철, 산화 니켈, 황, 탄소-실리콘 복합체와 같은 양극 활성 물질은 니켈 집전체와 짝을 이룰 수 있습니다.
니켈 전류 수집기는 일반적으로 니켈 폼과 니켈 호일의 두 가지 형태로 제공됩니다. 니켈 폼은 기공이 잘 발달되어 있어 활성 물질과 집전체 사이의 접촉 면적이 증가하여 접촉 저항이 감소합니다. 그러나 니켈 호일을 전극 집전체로 사용할 경우 충전/방전 횟수가 증가함에 따라 활성 물질이 분리되어 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 니켈 호일 표면을 에칭하는 등의 표면 전처리 기술을 사용하면 활성 물질과 집전체 사이의 결합 강도를 높일 수 있습니다.
스테인리스강은 니켈, 몰리브덴, 티타늄, 니오븀, 구리, 철 등의 원소가 포함된 합금강입니다. 전도성과 안정성이 우수하여 공기, 증기, 물과 같은 약한 부식성 매체는 물론 산, 알칼리, 염분과 같은 강한 부식성 매체에 의한 부식에 강합니다. 스테인리스 스틸은 표면에 패시브 필름을 형성하여 부식으로부터 보호할 수 있습니다. 또한 스테인리스 스틸은 구리보다 얇게 가공할 수 있어 비용 효율적이고 제조가 쉬우며 대량 생산에 적합합니다. 스테인리스 스틸은 양극 또는 음극 집전체로 사용할 수 있으며, 일반적인 유형으로는 스테인리스 스틸 메쉬와 다공성 스테인리스 스틸이 있습니다.
스테인리스 스틸 메쉬는 조밀한 구조를 가지고 있습니다. 집전기로 사용할 경우 표면이 전극 활성 물질로 둘러싸여 전해질과의 직접적인 접촉을 최소화합니다. 이를 통해 부반응 발생을 줄이고 배터리의 사이클링 성능을 향상시킵니다.
활성 물질을 최대한 활용하고 전극 방전 용량을 개선하기 위해 간단하고 효과적인 방법은 다공성 집전체를 사용하는 것입니다.
탄소 소재를 양극 또는 음극 집전체로 사용하면 금속 집전체의 전해질 부식을 방지할 수 있습니다. 탄소 소재는 풍부한 자원, 손쉬운 가공, 낮은 저항, 환경 친화성, 저렴한 비용 등의 장점이 있습니다. 유연성, 전도성, 전기화학적 안정성이 뛰어난 탄소섬유 천은 플렉시블 리튬 이온 배터리의 집전체로 사용할 수 있습니다. 탄소 나노튜브는 금속 집전체에 비해 가볍고 에너지 밀도가 크게 증가한다는 장점을 제공하는 또 다른 형태의 탄소 집전체입니다.
구리, 알루미늄, 니켈, 스테인리스강, 탄소와 같은 단일 집전체 외에도 최근에는 복합 집전체가 주목받고 있습니다. 전도성 수지, 탄소 코팅 알루미늄 호일, 티타늄-니켈 형상 기억 합금을 예로
들 수 있습니다.
전도성 수지 집전기는 전도성 필러(흑연 및 카본 블랙 등)와 폴리에틸렌(PE) 및 페놀 수지(PF) 같은 폴리머 수지 매트릭스를 결합하여 만든 복합 재료입니다. 이러한 복합 전류 수집기는 물리적, 화학적 특성에 대해 연구되어 왔습니다. 전기 전도도, 표면적, 기계적 강도가 높은 독특한 2차원 탄소 소재인 그래핀은 음극 활물질로 흑연을 대체하거나 집전체 재료로 사용할 수 있습니다.
티타늄-니켈 형상 기억 합금은 니켈과 티타늄으로 구성된 이원 합금입니다. 온도 또는 가해지는 압력의 변화에 따라 두 개의 서로 다른 결정상 사이에서 가역적인 상 변환을 겪을 수 있습니다. 상 변화를 통해 티타늄-니켈 형상 기억 합금은 충전/방전 과정에서 활성 물질의 부피 변화를 억제하여 배터리의 사이클 수명을 향상시킬 수 있습니다.
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