CMC는 carboxymethyl cellulose의 약자로, 백색, 미백색의 입상 또는 섬유상 분말이며, 물에 잘 녹고 무취하며 화학적으로 안정하고
인체에 무해합니다. CMC는 식품, 의약품, 화장품 또는 공업용 첨가제로 증점, 안정, 분산, 접착, 보수, 윤활, 광택, 증량제 등 의 용도로 광범위하게 사용됩니다.
흑연전극에서 리튬이온의 삽입되면서 팽창하며, 리튬이온을 흑연에서 탈리되면서 수축합니다. Swelling : Graphite(약 10%), Silicon (약 300%), Silcon oxide (약 30%)이 과정이 반복되면 전극의 물리적 파손 및 SEI 막 제어등 전해액 고갈, 입자간 접촉 저항이 증가해 결과적으로 전극의 옴저항 (ohmic resistance)이 상승해 전지 특성이 저하됩니다. 이러한 문제들은 전극의 기계적인 안정성이 저하됨으로써 발생하는데, 적절한 바인더의 사용으로 해결할 수 있습니다.
특허등록번호 : 특허 제10-1385254
“전극 합제용 바인더 및 이를 포함하는 이차전지”
이차전지 바인더용으로서의 CMC는 일반 CMC 대비 고순도가 요구되어지고 있고, 입자 구성 성분 중 물에 녹지 않는 마이크로 겔 부분이 최소화 되어야 하며, 치환도 및 분말의 입경도 적용하고자 하는 용도에 최적화되어야 합니다. ㈜지엘켐은 자체 입도제어기술을 이용하여 고순도의 전지용 CMC 제품의 라인업을 보유하고 있습니다.
MicellCMC®의 이차전지용 CMC는 일반 CMC 대비 차별화된 정제공정을 거쳐 금속 불순물을 제어하여 전기화학적 부반응을 억제하였으며, 분말입도분포 제어를 통한 용해도 개선으로 전극 공정시간의 단축을 시도하였습니다.
이차전지가 기존 소형 모바일에서 전기차, ESS 등의 중대형 전지로 적용분야를 넓혀가면서 중대형 전지에서 요구되어지는 고출력, 장수명 특성을 개선시킬 필요성이 커지고 있습니다.
이를 위해 Na+ 이온을 Li+ 이온으로 대체한 CMC-Li 제품을 적용하였을 때, 음극 합제의 동일 체적당 활물질의 비율을 더욱 높일 수 있어 고용량화가 가능하면서도, 음극 슬러리의 고형분 함량 증가로 전극 공정성이 향상되고 스웰링 현상이 개선되는 효과가 있습니다. 또한 CMC-Na 대비 높은 결착력과 낮은 저항을 보였으며, 불필요한 금속이온이 없기 때문에 극판 저항 감소에 따른 전지 수명 및 출력 특성이 개선됩니다.
(출처: K.C.Kil and U.Paik, Macromol.Res., Vol.23, No.8, 2015)
전극 코팅을 위한 슬러리 주성분은 활물질, 도전재, 바인더로써, 슬러리의 분산 안정성을 유지하기 위해서 슬러리는 1,000~ 8,000 cPs 정도의 점도를 가져야 합니다. PVdF는 고분자의 유기 바인더로써, 자체로 높은 점성을 가지나 NMP와 같은 독성의 유기용매에 용해하여 사용하는 반면, 수계 바인더인SBR/CMC에서는 SBR고분자가 물에 용해되지 않은 입자로 존재하기 때문에 CMC가 증점제 역할을 하여 바인더를 안정화 시킵니다. CMC는 전극 슬러리 관점에서는 증점제 (Thickening agent)로 사용되나, 전극 내에서 adhesive 특성을 부여하는 것으로 알려져 있습니다. MicellCMC®는 전극 슬러리의 분산안정성과 전극 결착력을 효과적으로 확보해줍니다.
전극 제조 공정
흑연전극에서 리튬이온의 삽입되면서 팽창하며, 리튬이온을 흑연에서 탈리되면서 수축합니다.
Swelling : Graphite(약 10%), Silicon (약 300%), Silcon oxide (약 30%)이 과정이 반복되면 전극의 물리적 파손 및 SEI 막 제어등 전해액 고갈, 입자간 접촉 저항이 증가해 결과적으로 전극의 옴저항 (ohmic resistance)이 상승해 전지 특성이 저하됩니다. 이러한 문제들은 전극의 기계적인 안정성이 저하됨으로써 발생하는데, 적절한 바인더의 사용으로 해결할 수 있습니다.
바인더로써 이차전지 음극에 SBR/CMC계의 고분자 바인더가 널리 이용되고 있습니다.
이차전지 전극용 바인더는 전극활물질과 전기 도전재를 결착하여 집전박막인 금속집전체(current collector)와 잘 붙어 있도록
도와줍니다. CMC를 첨가함으로써 활물질 및 도전재 입자 간 최소한의 접착만으로 서로 잘 결착할 수 있도록 합니다.
이는 전지의 용량 및 에너지 밀도를 극대화하기 위해 필요한 전극활물질의 함량은 높이고 바인더의 함량은 줄여주며 PVdF계보다
결착특성이 우수합니다. 또한 SBR 입자는 전극활물질 사이에서 PVdF계 유기 바인더와 달리 점 접촉 형태로 나타내고 있어,
전극의 전기화학적 특성을 잘 유지할 수 있습니다.
특허등록번호 : 특허 제10-1385254 “전극 합제용 바인더 및 이를 포함하는 이차전지”
이차전지 바인더용으로서의 CMC는 일반 CMC 대비 고순도가 요구되어지고 있고, 입자 구성 성분 중 물에 녹지 않는 마이크로 겔 부분이 최소화 되어야 하며, 치환도 및 분말의 입경도 적용하고자 하는 용도에 최적화되어야 합니다. ㈜지엘켐은 자체 입도제어기술을 이용하여 고순도의 전지용 CMC 제품의 라인업을 보유하고 있습니다.
MicellCMC®의 이차전지용 CMC는 일반 CMC 대비 차별화된 정제공정을 거쳐 금속 불순물을 제어하여
전기화학적 부반응을 억제하였으며, 분말입도분포 제어를 통한 용해도 개선으로 전극 공정시간의 단축을 시도하였습니다.
이차전지가 기존 소형 모바일에서 전기차, ESS 등의 중대형 전지로 적용분야를 넓혀가면서 중대형 전지에서 요구되어지는 고출력,
장수명 특성을 개선시킬 필요성이 커지고 있습니다. 이를 위해 Na+ 이온을 Li+ 이온으로 대체한 CMC-Li 제품을 적용하였을 때, 음극
합제의 동일 체적당 활물질의 비율을 더욱 높일 수 있어 고용량화가 가능하면서도, 음극 슬러리의 고형분 함량 증가로 전극 공정성이
향상되고 스웰링 현상이 개선되는 효과가 있습니다. 또한 CMC-Na 대비 높은 결착력과 낮은 저항을 보였으며, 불필요한 금속이온이
없기 때문에 극판 저항 감소에 따른 전지 수명 및 출력 특성이 개선됩니다.
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CMC-Li 구조 | CMC-Li Binder의 Li 이온전도 |
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(출처: K.C.Kil and U.Paik, Macromol.Res., Vol.23, No.8, 2015) | |||
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충전율 | 방전율 | 수명 |
전극 코팅을 위한 슬러리 주성분은 활물질, 도전재, 바인더로써, 슬러리의 분산 안정성을 유지하기 위해서 슬러리는 1,000~8,000 cPs
정도의 점도를 가져야 합니다. PVdF는 고분자의 유기 바인더로써, 자체로 높은 점성을 가지나 NMP와 같은 독성의 유기용매에 용해하여 사용하는 반면, 수계 바인더인SBR/CMC에서는 SBR고분자가 물에 용해되지 않은 입자로 존재하기 때문에 CMC가 증점제 역할을 하여 바인더를 안정화 시킵니다. CMC는 전극 슬러리 관점에서는 증점제 (Thickening agent)로 사용되나, 전극 내에서 adhesive 특성을 부여하는 것으로 알려져 있습니다. MicellCMC®는 전극 슬러리의 분산안정성과 전극 결착력을 효과적으로 확보해줍니다.
전극 제조 공정
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<MicellCMC® 적용 전극 슬러리> | <MicellCMC® 적용 파우치셀> |
