미세유체 채널 내 음극 슬러리의 미세구조 시각화 및 정량화
Direct Observation and Characterization of the Microstructure of Anode Slurry for Li-ion Battery in Microchannel
- 주제(키워드) 리튬 이온 배터리 , 미세 유체 채널 , 유변물성 , LAOS , 음극 슬러리의 미세구조
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김주민
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035402
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
리튬 이온 배터리의 수요 증가와 함께 전극 제조 공정의 안정성과 성능 향상에 대한 요구가 높아지고 있다. 활물질, 도전재, 바인더을 혼합하여 제조된 전극 슬러리는 슬롯 다이 코터를 이용해 전류 집전체에 도포되며, 이때 형성되는 미세구조의 균일성은 배터리의 전기화학적 성능뿐만 아니라 공정 생산성에도 직접적인 영향을 미친다. 상업적으로 생산되는 리튬이온배터리의 음극 슬러리의 미세구조는 주로 흑연(활물질), 카본블랙(도전재), 고분자 바인더의 상호작용으로 결정되며, 분산 상태가 좋지 않으면 전자 및 이온 전도 경로가 불균일해져 전기화학적 성능 저하와 코팅 결함으로 이어질 수 있다. 따라서 제조 단계에서 슬러리의 유변물성과 내부 구조를 함께 이해하는 것은 매우 중요하다. 그러나 흑연과 카본블랙(carbon black)은 광학적으로 매우 불투명한 특성을 지녀 일반 광학 현미경으로는 미세구조를 직접 관찰하기 어렵다는 한계가 있다. 이로 인해 다양한 흑연(천연, 인조, 볼밀)의 형태와 크기 차이가 슬러리 미세구조에 미치는 영향을 정량적으로 직접 분석한 연구는 제한적이었다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 형태와 크기가 서로 다른 음극 활물질(천연 흑연, 인조 흑연, 볼밀 흑연), 카본 블랙, CMC(carboxymethyl cellulose) 바인더가 포함된 슬러리를 대상으로 유변학적 특성 평가와 미세구조 시각화 및 정량화를 동시에 수행하였다. 먼저 PDMS(polydimethylsiloxane) 기반의 슬릿형 미세 유체 채널을 제작하여, 슬롯 다이 코터의 슬릿 영역 유동을 모사한 조건에서 슬러리를 주입하여 미세구조를 직접 관찰할 수 있도록 하였다. 관찰 감도를 높이기 위해 EMCCD(electron multiplying charge-coupled device) 카메라를 장착한 광학 현미경을 사용하여 저조도 환경에서도 슬러리 내부 미세 구조를 고정밀로 관찰하였다. 이와 같은 방식으로 획득한 이미지는 ImageJ, MATLAB 및 Python 기반의 이미지 프로세싱을 통해 분석했으며, 특히 GLCM(gray level co- occurrence matrix) 기법을 도입해 픽셀 간 상관관계 기반의 구조 균일성 지표를 계산함으로써 흑연의 형태와 크기에 따른 미세구조 변화를 정량적으로 규명하였다. 또한 진폭이 큰 비선형 변형 영역에서의 거동을 확인하기 위해 LAOS(large amplitude oscillatory shear) 시험을 수행하여 슬러리의 비선형 점탄성을 분석하였다. 이는 실제 혼합 및 코팅 과정에서 발생하는 비선형 유동을 반영해 슬러리의 거동을 보다 현실적으로 이해할 수 있게 하며, 미세구조—유변물성 간의 연관성을 규명하는 중요한 요소로 활용되었다. 추가적으로 Raman 분석을 사용해 각 흑연 입자의 구조적 특성 및 결함 정도를 파악하여 미세구조 차이에 대한 원인 분석을 수행하였다. 본 연구에서 제시한 미세유체 기반 미세구조 가시화 및 GLCM 접근법과 유변물성 분석을 결합한 분석은 향후 음극 슬러리 설계 및 공정 최적화에 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 슬러리 내부 미세구조의 균질성을 실시간으로 평가하고, 흑연 입자의 결함 구조를 정량적으로 반영하여 네트워크 강도를 예측하는 방법론을 제공함으로써, 기존의 경험적 혼합·코팅 공정을 데이터 기반(data-driven) 제어로 전환하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 슬러리 품질의 사전 예측 및 공정 제어 자동화하여 GLCM 기반 미세구조 지표와 큰 진폭 진동 스윕 실험의 항복 특성을 활용하여 코팅 균일도 및 도막 품질을 사전에 예측함으로써 불량률을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구의 이미지 기반 분석 기법은 실제 믹서–슬러리 저장–코팅 라인에 적용 가능하며, 공정 중 미세구조 변화를 실시간 감지하여 최적의 분산 상태를 유지하는 데 활용될 수 있다. 또한 보다 균일한 미세구조와 높은 네트워크 강도는 전극의 전기화학적 성능, 수명, 고속 충·방전 안정성에 직접적 향상을 가져오며, 이는 전기차 및 ESS(energy storage system) 제조에서 요구하는 품질 규격을 충족하는 데 기여할 것으로 기대된다. 결론적으로, 본 연구는 흑연 입자의 구조적 특성과 음극 슬러리의 미세구조와 유변학적 거동간의 상관관계를 정량적으로 규명함으로써, 차세대 고품질 전극 제조를 위한 재료·공정 설계에 필요한 유용한 도구를 제시한다. 이는 리튬이온 배터리 제조 공정의 효율 향상, 품질 신뢰성 확보, 고속 코팅 공정의 안정성 확보 등 산업적 가치가 높은 분야에 직접적으로 응용될 수 있으며, 향후 데이터 기반 슬러리 공정 제어 기술 개발의 기반을 마련할 것으로 기대된다. 주제어: 리튬 이온 배터리, 미세 유체 채널, 유변물성, LAOS, 음극 슬러리의 미세구조
more목차
1.서론 1
2. 실험 재료 및 과정 7
2-1. 음극 슬러리 용액 제조 7
2-2. 미세 유체 채널 제작 10
2-3. 유변 물성 측정 13
2-4. 음극 슬러리의 미세구조 관찰 및 이미지 분석 18
2-5. 흑연의 Raman 분광 분석법 25
3. 결과 및 토론 29
3-1. 흑연 입자에 따른 음극 슬러리의 전단 점도 29
3-2. 흑연 종류에 따른 음극 슬러리의 SAOS 실험 35
3-3. 흑연 종류에 따른 음극 슬러리의 신장 유변 물성 39
3-4. 흑연 종류에 따른 음극 슬러리의 LAOS 실험 44
3-5. 흑연 종류에 따른 미세 유체 채널 내 슬러리 이미지 및 정량화 59
3-6. 흑연 입자의 Raman 분광 분석 70
4. 결론 78
5. 참고문헌 84
6. Abstract 93
