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그라튜브, 배터리 소재 산업의 패러다임을 바꿀 소재 혁신 건식전극 시트용 소재 개발과 시트 제조
2023-09-05 조회수 : 702

산업계 패러다임이 친환경으로 재편되고 있다. 전기차가 '탈 것'의 미래로 주목받으며 배터리 시장도 빠르게 성장하고 있다. 최근 탄소나노튜브(CNT) 도전재(전류 전도 물질)가 주목받는 것도 이를 통해 차세대 배터리로 한발 더 나아갈 수 있기 때문이다

CNT는 우수한 전기전도성을 주목받고 있는 신소재로 현재 반도체, 휴대폰, 디스플레이, 이차전지등에서 차세대 신소재로서 개발, 활용중이다. 그라튜브는 20년동안 매진한 나노분산기술로 탄소나노튜브와 그래핀 등을 활용한 제품을 개발, 생산하고 있으며 지속적인 연구 개발로 역량을 키워가고 있다. SWCNT, MWCNT, 그래핀등의 나노소재를 물리적 · 화학적 방법으로 분산하고 꾸준한 연구개발을 통해 리튬 이온배터리와 전고체전지 분야로 사업 확대하여 끊임없는 품질 향상을 위한 공정 개발 및 품질관리에 노력하고 있다.

 

   

이차전지 습식 CNT 도전재- 양극(유기계)용, 음극(수계)용

 

도전재는 리튬 이온이 양극과 음극을 더 잘 오가도록 하는 물질로, 배터리 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 한다.특히, CNT(단일벽CNT 또는 다중벽CNT)를 양극 및 음극 도전재로 사용하면 기존 카본 블랙에 비해 높은 전도도를 구현할 수 있으며, 도전재 사용량을 줄일 수 있어 해당 공간을 활물질 (양극, 음극재)로 채워 배터리의 용량과 수명을 향상 시키는 효과가 있다. 도전재는 활물질, 바인더와 함께  슬러리 형태로 혼합되어 있다. 양극(알루미늄)에 양극재, 수지, 도전재, NMP로 만든 슬러리를 코팅하고, 음극(구리)에는 음극재, 수지, 도전재, 물, 분산제로 만든 슬러리를 코팅하여 극판에 도포하여 양극, 음극을 형성한다

 

그라튜브는 양극용, 음극용 CNT도전재를 생산하고 있으며 SWNT는 최대 2%까지, MWNT는 최대 5%까지 함유된 제품을 판매하고 있다.

 

이차전지 습식용 CNT 건식 그래뉼

 

NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidinone)는 2차 전지의 양극 제조과정 중 활물질 형성을 위한 용매로 사용되며, 또한 바인더 내에 포함되어 사용될 수 있다. NMP는 활물질 혼합 조성시 세척 용매로 사용될 수 있고, 전극의 형성 후, 건조 공정에서 증기 상태로 회수할 수 있다. 양극재(양극활물질) 제조과정에서 사용되는 NMP 용제는 생산원가에 상당한 비용을 차지한다. 따라서 소성 공정에 있어서 가스로서 발생하는 NMP 가스를 흡착법이나 수흡수법에 의해 회수하여 재사용함으로써 경제적인 효과와 환경오염을 감소시킬 수 있다. 이러한 이유로 폐 NMP를 회수하여 고순도의 NMP를 정제하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

해당 제품은 CNT제조사의 요청으로 개발 완료된 제품으로 NMP 재생회수장치에 분산기를 부착하여 그라튜브의 습식용 건식 CNT그래뉼을 첨가함으로써 쉽게 도전재를 만들 수 있다. 도전재 메이커로부터 대량으로 운반된 탱크로리에 저장된 도전재를 사용하지 않고, 직접 NMP회수장치에서 생성한 도전재를 플래터리 믹서에 혼합하여 사용하는 친환경적이방법으로 원가 절감의 장점을 가지고 있다.

 

 

활물질 코팅액과 코팅된 양극재

 

양극과 음극 활물질은 전자 이동이 원활하게 하기위해 전도성 코팅을 필요로 한다. 표면 코팅된 양극 활물질은 양극

활물질과 전해액간의 직접적인 접촉을 방지하여 활물질과 부반응을 억제하고, 이를 통해 배터리의 수명 특성 개선과

도전성 향상이 가능하다. 당사는 활물질에 쉽게 코탕하여 전도성을 부여할 수 있는 다양한 코팅액을 제공하고 있다.

양극재와 실리콘 음극재의 CNT코팅이 필요한 경우, 드라이룸, 글로브박스내에서 오염없이 여러 종류의 코팅액을 시

험하여 최적의 전지 물성을 달성할 수 있다.

 

 

건식 전극용 양극재 /음극재 그래뉼 (코팅된 양극재 / 음극재 + PTFE + CNT)

 

건식 전극 공정은 양극재와  바인더를 건식으로 혼합하여 용매를 사용하지 않고 금속박에 코팅하는 방식으로 배터리 건식 전극 제조공정에 사용될 수 있다. 현재 거의 대부분의 배터리 전극은 활물질, 도전재, 바인더 등을 섞은 슬러리 상태의 도전재를 코팅하는 습식 공정이 사용된다. 습식 공정에서는 재료들이 잘 섞일 수 있도록 NMP라는 유기 용매를 사용하기 때문에 건조하는 과정에서 NMP를 회수·처리하는데 필요한 설비 구축, 전력 사용, 건조시간 등으로 인해 제조 원가가 뛴다.

건식 전극 공정은 용매 없이 필름 형태로 만들어 바로 코팅할 수 있어 습식 대비 친환경적이고 안전성이 높으며 에너지 밀도를 높이는데 유리하다. 공정 과정이 줄어 원가 절감 효과가 뛰어나 차세대 기술로 평가받고 있다. 이에 지난해 테슬라는 배터리 제작원가를 절반으로 줄이기 위해 건식 전극 공정을 양산화 수준으로 끌어올리겠다고 공언한 바 있고, 현재 음극쪽은 적용을 하고 있으며 양극쪽은 양극재의 CNT 코팅 등으로 전도성 향상을 여러 방향으로 개발 진행 중이다.

그라튜브는 드라이 룸, 글로브 박스에서 양극재의 CNT(MWNT, SWNT) 코팅과 건식 CNT 그래뉼 도전재 및 건식 CNT 그래뉼 도전재 +PTFE 제조. 코팅된 양극재 PTFE 및 코팅된 양극재 +건식 CNT 그래뉼 도전재 + PTFE 등 복합 그래눌 제조 가능하다.

또한, 음극재 Si 의 CNT 코팅와 건식 CNT 그래뉼 도전재 +PTFE, 코팅된 Si +흑연 +PTFE 및 코팅된 음극재 (Si+흑연) +건식 CNT 그래뉼 도전재 +PTFE 등 복합 그래뉼 제조 가능하다.

 

 

건식전극 시트용 CNT 코팅

 

알루미늄 집전체(Al) 와 구리 집전체(Cu)에 CNT 코팅을 적용하여 건식 및 습식 전극 부착, 수명 및 효율을 향상시킬 수 있다. 그라튜브는 최적의 CNT와 그래핀으로 일정하고 균일하게 under 코팅이 가능하며 이를 통해 전지의 성능 개선이 가능하다.

 

건식 전극 시트 압출(드라이룸) 및 시트 제조

 

드라이 룸에서 양극 및 음극 복합 그래뉼 및 혼합물을 믹싱 후 압출하여 만든 시트를 Roll to Roll밀 로 붙여 전극 제조가 가능하다. 이 시트를 집전체에 합판하고 분리막을 코팅하면 배터리 셀을 만들 수 있다.