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김동재 순천향대 교수, 배터리 전극 대량 생산 코팅 결함 ‘실마리’

배터리 전극 대량 생산서 발생하는 가장자리 돌출 결함 완화 위한 요인 도출
국제학술지 ‘Journal of Power Sources’ 4월호 게재

이대성 기자 | 기사입력 2024/04/23 [18:17]

김동재 순천향대 교수, 배터리 전극 대량 생산 코팅 결함 ‘실마리’

배터리 전극 대량 생산서 발생하는 가장자리 돌출 결함 완화 위한 요인 도출
국제학술지 ‘Journal of Power Sources’ 4월호 게재

이대성 기자 | 입력 : 2024/04/23 [18:17]

▲ 김동재 순천향대학교 나노화학공학과 교수  /사진=순천향대  © 아산투데이

 

 최근 전기자동차 등 리튬이온 배터리를 사용하는 제품의 시장이 커지면서 고품질·고성능 배터리 공정 중요성이 대두되는 가운데, 순천향대학교(총장 김승우) 교수가 배터리 전극 대량 생산에서 발생하는 가장자리 돌출 결함(Heavy Edge)을 감소시킬 수 있는 실마리를 찾아냈다.

 

23일 대학에 따르면 김동재 나노화학공학과 교수 연구팀은 남재욱 서울대 화학생물공학부 교수, 이규태 교수 연구팀과 가장자리 돌출 현상을 이해하고 개선 전략을 제안하기 위해 연구를 수행했다.

 

가장자리 돌출 결함은 코팅 공정을 통해 만들어진 전극의 두께가 일정하지 않고 측면의 두께가 증가하는 현상이다.

 

배터리 전극 대량 생산에 주로 사용되는 코팅 공정에서 다양한 코팅 결함이 발생할 수 있는데, 이 중 가장자리 돌출이라고 불리는 현상은 제조된 전극의 두께가 중앙보다 측면이 두껍게 형성되는 코팅 결함을 뜻한다.

 

해당 결함은 후처리 공정에도 응력 불균형으로 인한 전극의 주름(electrode corrugation)을 야기해 제품 불량으로 이어질 수 있지만, 현재까지 정확한 요인이나 원인을 파악하지 못한 실정이다.

 

김 교수 등 연구팀은 상업적 대량 생산 조건에 해당하는 다양한 공정 매개 변수를 사용해 실험실용 블레이드 코팅(기판을 일정 속도로 움직여 물질을 균일하게 코팅하는 기술)으로 배터리 전극을 만들고 유변학적, 통계학적, 전기화학적 분석을 수행했다.

 

▲ 블레이드 코팅 공정을 사용한 배터리 전극의 가장자리 돌출 감소 분석 연구 결과 개요도  /사진=순천향대  © 아산투데이

 

이를 통해 통계학과 머신러닝 해석을 기반으로 코팅 간격(Coating gap)이 가장자리 돌출 결함의 정도에 가장 중요한 영향을 미친다는 것을 확인했다. 응력-변형 모델링을 통해 가장자리 돌출 형상과 공정 조건 간의 상관관계도 도출해 냈다.

 

연구 결과는 최근 ‘블레이드 코팅 공정을 사용한 배터리 전극의 가장자리 돌출 감소 분석(Analysis of side heavy edge reduction of battery electrode using high speed blade coating process)’라는 제목으로 국제학술지 Journal of Power Sources (IF: 9.2, Electrochemistry 분야 30개 저널 중 4위 상위 11.7%, 2022 JCR 기준) 4월호에 게재됐다.

 

김 교수는 “전극 제조 공정의 중요성은 많은 연구자가 인지하고 있으나 복잡성으로 인해 현재 산업계에서는 여러 상황에서 얻은 시행착오에 따른 경험에 기반한 공정설계가 진행되고 있다”며 “연구에 더 매진해 가장자리 돌출 결함을 감소시킬 수 있는 최적의 공정 조업 조건을 확보할 수 있다면 배터리 제조 공정의 최적화와 제품의 품질 관리에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

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