Flash 광원을 적용한 고효율 탄소저감형 고로딩 전극 건조 시스템 개발

o 리튬-이온 전지 (Li-ion batteries)

- 이차전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자(Device)이며, 가역적인 반응을 통해 반복적인 충전-방전으로 지속적인 재사용이 가능하도록 하는 소자를 의미함. 음극, 양극 소재의 화학적 조성에 따라서 여러 종류의 이차전지로 분류되며, 대표적으로 납축(Lead-acid) 전지, 니켈카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지, 리튬-이온(Li-ion) 전지 등이 상용화 되어있음.

- 리튬-이온 전지는 1991년 Asahi Kasei社에서 처음 상용화에 성공하여, 무게 대비 에너지 밀도가 여타 종류의 이차전지에 비해 크다는 특장점이 있었으나 안전성(Safety)에 대한 의문과 주기 안정성(Cycling stability) 등이 약점으로 꼽힘. 그러나, 지속적인 연구개발을 통해 상기 기술적 약점을 극복하며, 최근에는 거의 모든 성능적 측면(에너지 밀도, 출력, 수명 등)에서 여타 이차전지 시스템에 비교하여 월등한 특성을 보여 대부분의 이차전지 적용분야(ex. 전기차, ESS, 휴대용 전자기기, 전동공구 등), 특히 높은 에너지 밀도를 요구하는 전자기기에 적극적으로 적용되고 있음.

o 리튬-이온 이차전지 에너지밀도 향상을 위한 고로딩 전극

- 최근 전기차의 주행거리 확장 등의 이슈와 함께, 리튬-이온 이차전지의 에너지 밀도를 더욱 향상시키고자 수많은 기술개발에 대한 노력이 진행되고 있음. 고전압, 고용량 활물질 소재(음극/양극재)기술 뿐만 아니라, 이차전지 내부의 구성 부품비율 최적화를 위한 제조 기술이 같이 개발되고 있음.

- 배터리 셀의 내부는 활물질, 바인더, 도전재, 집전체, 분리막, 전해액, 셀 패키지 등으로 구성되어있는데, 이 중에서 활물질의 함량 비율을 최대한 늘림으로써 에너지 밀도를 향상시키고자 하는 전략이 매우 효과적임. 이에, 기존 대비 높은 두께를 갖는 전극(= 고로딩 전극)을 제조하는 기술 중요성이 대두됨.

o 이차전지 전극 건조 시스템

- 기존의 배터리 전극 습식 제조 공정에서 발생하는 용매와 소재 간 '층 분리' 현상 때문에 일정 두께 이상으로 전극 코팅이 불가능해 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 있음

- 전극은 금속박이나 금속 메시(mesh)로 이루어진 집전체 표면에 전극 활물질을 포함하는 슬러리를 도포함으로써 이루어지는 경우가 많음. 슬러리는 통상 용매와 가소제, 전극 활물질, 바인더 등을 섞는 방법으로 형성됨. 슬러리는 용매를 많이 포함하는 유동 상태이므로 슬러리 도포 후에는 롤 형태로 취급하기 위해 슬러리에 포함된 용매를 제거하여 활물질층이 손상되지 않도록 하여야 함. 따라서, 전극 생산을 위한 활물질 도포가 고속으로 이루어지기 위해서는 슬러리의 용매 성분을 단시간에 효율적으로 제거할 수 있는 건조 공정이 이루어져야 함. 또한, 집전체에 활물질층이 안정적으로 부착되고, 내부저항을 줄이고, 전지 특성을 향상시키기 위해서 도포된 슬러리에서 용매 성분을 제거하는 건조 공정은 적절한 조건으로 이루어져야 함.

o 이차전지 전극 건조용 열원 기술

이차전지 전극 건조 방식은 오일과 전기를 열원으로 하는 열풍 건조를 기본으로 하여 NIR, MIR, FIR 등의 복사열과 대류열을 간헐적으로 사용하고 있는데, 이 때, 롤투롤 상에서 연속 코팅되는 전극막의 충분한 건조를 위해 대규모의 건조로가 적 용, 많은 에너지 소비와 탄소 배출이 발생되는 문제가 있어, 새로운 고효율 열원을 통한 건조 기술 개발이 매우 중요함.

o 이차전지 전극 건조용 Flash 열원 개발

- Flash 열원은 순간적인 pulse 광을 이용하는 광원으로서 순간적으로 높은 출력의 광을 방출할 수 있어 열처리 및 건조 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.