집전체는 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 구성된 요소이다.
양극활물질과 음극활물질은 모두 분말상이다. 이러한 분말상의 소재를 판상의 소재로 만들어 롤 처럼 말거나 또는 접어서 또는 잘라내어 적층을 한 구조로 배터리 내에 삽입이 되어지는데 이때 분말상태의 활물질이 극판의 형태로 배터리 내에서 존재 할 수 있게 해주는 지지체 역할을 담당하고 또한 두 극판의 화학물질이 만들어내는 전기에너지를 회로에 연결할 수 있게 전기에너지의 전달을 하는 역할을 담당하는 것이 집전체이다.
양극에 사용하는 집전체로는 대부분 알루미늄 호일이 사용되어진다. 마이크로미터 단위의 얇은 막에 양극활물질 파우더와 전도성을 좋게 하는 카본 그리고 점성이 있는 유기용제와 PVDF라고 하는 화학물질이 혼합된 상태로 슬러리를 만들면 일정 수준의 점성을 가지고 고체입자가 고르게 분산된 상태의 액체를 얻게 된다. 이 액체를 알루미늄 호일에 도포한 뒤 건조하여 극판을 성형한다.
음극은 구리호일을 사용한다. 이러한 집전체는 배터리 내에서 전기가 만들어지는 과정에서 부식이 일어나면 안되며 전기를 전달하는 전도성이 있는 금속이어야 하며 얇은 막의 형태로 부피는 최소화 하여야 효율이 증대되므로 내부식성과 산화 피막을 형성하는 알루미늄호일이 채택되었다. 구리도 마찬가지이다. 또한 이러한 집전체가 요구되는 성격으로는 온도변화가 발생해도 온도에 따른 부피변화가 있으면 안되기에 부피가 늘어나 분리막보다 크기가 커져 다른 극의 극판과 접촉이 일어나면 안되기 때문이다. 알루미늄 호일과 구리 호일은 대부분 국산화가 이루어졌으며 많은 업체에서 생산하고 있다.[1]
집전체는 박막 극판을 제조하는데 중요한 구성요소이며, 전지 내 활물질에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려 보내는 통로 역할을 한다. 배터리 핵심 소재 중 하나인 동박(전지박)이 바로 집전체다. 리튬이차전지에서는 양극에는 Al, 음극에는 Cu 집전체를 사용한다. 집전체의 두께는 통상 10~20㎛ 정도이다. 권취 공정을 통해 합제가 코팅이 되기 때문에 집전체의 장력이 어느 정도 있어야 하므로 집전체의 두께를 너무 얇게 할 수는 없다.
알루미늄 집전체를 양극에 사용하는 이유는 다음과 같다.
- 알루미늄의 전기화학적 안정성이 양극활물질의 전극반응 전위영역 에서 높기 때문이다.
- 가격이 싸기 때문이다.
구리 집전체를 음극에 사용하는 이유는 다음과 같다.
- 탄소전극의 작동 범위에서 전기화학적으로 비활성인 금속은 니켈과 구리 등이다. 니켈의 경우 가격이 비싸기 때문에 가격적으로 유리한 구리가 실제 사용된다.
금속 메쉬를 이용한 집전체[편집]
재료연구소가 2차전지 활물질 충진효율 향상과 이탈을 방지하는 '집전체'를 개발했다. 이 기술은 10um 미세 선폭 구현이 가능하다. 변형된 패터닝을 제작하기 쉽다. 메쉬 박막화는 20um까지 된다. 집전체 용량은 700mAh/g까지 가능하다. 기존 집전체는 동박막 표면을 조절한다. 금속 메시를 이용해 수직형상으로 구성해 활물질 충진효율이 높다. 기존 알루미늄 방열판에 금속메쉬를 활용해 다양한 금속과 크기로 제작 가능하다. 마이크로칩이나 디바이스의 열 방출 효과를 높일 수 있다. 이 기술은 전지시장에 적용되는 부품에 파급 효과가 크다. 2차 전지용 집전체와 마이크로 칩, 디바이스용 바이크로 방열판, 금속 적층 구조물에 적용한다. 각종 스마트폰을 포함한 IT기기, 반도체, 부품 등 전자기기 열 관리 서비스로 사용된다. 이 기술로 집전체나 마이크로 방열판을 제작할 때 연속공정기술을 도입하면 원가절감과 대령 생산 공정을 확립할 수 있다.[2]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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