도전재는 양극과 음극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 재료입니다. 활물질 사이를 연결하여 전기적 특성을 갖추게 해서 적은 양으로도 배터리의 성능을 개선하는데 원가 비중은 양극재의 1% 정도 됩니다. 이번에는 도전재에 대해 알아보겠습니다.
(2023년 3월 25일 방송)
1. 도전재
양극재
양극재는 양극활물질과 도전재, 바인더로 구성되는데 바인더는 접착제 역할을 하고, 도전재 전자가 이동하는 연결 통로 역할을 한다. 양극활물질과 도전재, 바인더를 버무려서 양극재를 만든다.
음극재
양극
양극재를 알루미늄박에 얇게 편다. 식빵에 바르는 잼이나 버터를 양극재라고 생각하면 된다.
음극
동박에 음극재를 얇게 편다.
활물질, 도전재, 바인더, 전지박, 전극
도전재가 있어야 전자가 이동을 잘한다.
도전재
도전재는 양극과 음극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 재료이다. 활물질 사이를 연결하여 전기적 특성을 갖추게 해서 적은 양으로도 배터리의 성능을 개선한다. 원가 비중은 양극재의 1% 정도 된다.
도전재는 카본블랙과 CNT(탄소나노튜브) 2종류가 있는데 카본블랙 검은색 분말이다
CNT(탄소나노튜브)
CNT(탄소나노튜브)는 6개의 탄소가 육각형태로 말려져 있다. 지름 1나노미터 크기의 튜브 형태로 구성되어 있다.
CNT 도전재 - 양극재 적용
양극재에 CNT를 사용하면 카본블랙보다 전자 이동도가 높아서 도전재 사용량을 1/5로 줄일 수 있다. 도전재 사용량을 줄인 만큼 양극활물질과 음극활물질을 더 쓸 수 있다. 양극활물질은 에너지밀도를 증가시켜 주행거리를 늘어나게 할 수 있다.
CNT 도전재는 전기 전도도가 구리의 1,000배, 열 전도도는 다이아몬드의 2배,
CNT 도전재 - 음극재 적용
음극에 들어가는 CNT도전재는 스웰링 현상을 완화시키고 전자이동도를 높인다. CNT도전재는 전기 전도도가 높아서 배터리의 효율과 성능을 개선한다.
CNT 도전재의 장점
충방전 효율 향상 및 수명 연장, 배터리 용량 증가, 충방전시 안정성 향상
CNT 도전재 제조
CNT는 미세분말 형태라서 그대로 사용하기 어렵다. CNT 가루를 용액에 넣어서 계면활성제, 고분자 등을 통해 개질 후 용매에 분산한다.
CNT 도전재 구조
MWCNT와 SWCNT가 있는데 SWCNT가 더 좋다. SWCNT의 S는 Single을 뜻한다. SWCNT는 단일층으로 된 탄소층이 루프 형태로 된 양끝이 열린 원통구조이다.
도전재 주요 종류
도전재의 주요 종류에는 카본블랙과 MWCNT, SWCNT가 있다. 카본블랙은 전량 해외수업하고 많은 양은 사용하는데 성능에 한계가 있다.
MWCNT는 양극재에 사용하는데 에너지밀도를 향상시킨다. 파우더는 제이오, LG화학, 금호석유 등이 생산하고, 분산액은 동진쎄미켐과 나노신소재가 생산한다.
SWCNT는 음극재에 사용되는데 실리콘 음극재를 보완한다. 대량생산이 어려워서 가격이 비싸다. SWCNT 분산액을 만드는 전 세계에서 유일한 기업에는 나노신소재가 있다.
음극 소재 변화에 따른 배터리 부피 변화
음극재에 흑연만 쓰면 음극재가 40%인데, 음극재에 흑연 90%, 실리콘을 10%만 넣어도 음극재는 29%가 된다. 양극재에 실리콘을 100%를 쓰면 음극재가 5%만 차지해서 양극용량이 58% 증가하게 된다.
실리콘 음극재와 SWCNT
실리콘 음극재를 쓰면 주행거리가 늘어나고 충전시간이 줄어드는데, 스웰링현상 때문에 쓰기가 힘들다. 여기에 SWCNT를 넣으면 스웰링현상을 완화시키기 때문에 안정성을 위해 SWCNT 도전재를 첨가하는 게 필수적이다.
2. 도전재 밸류체인
도전재 시장
1) 제이오 - CNT 도전재의 시작
제이오 주요 제품
제이오의 시장 지위
제이오 생산능력
2) 나노신소재 - CNT 도전재 인싸
나노신소재
3. 염블리와 함께 링크
(2023년 3월 25일 방송)
https://youtu.be/DLfU3vuomvg?si=X_ksuNNuUdN2p0NE
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