⚙️ 배터리 성능을 주요 관리 항목 접착력, 음극 극판 접착력 분석법! SAICAS 원리, 분석법, 박리력 TEST(Peel Test)와 비교

1. 음극 극판 접착력이 배터리 성능에 미치는 영향

배터리 음극 극판의 접착력은 전기차 배터리 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 성능과 신뢰성을 결정짓는 핵심 요인입니다. 특히, 음극의 접착력이 약하면 충·방전 과정에서 전극 소재가 박리되어 전기 전도도가 저하되고, 배터리 셀의 성능과 수명이 급격히 떨어질 수 있습니다.

• 접착력이 배터리 성능에 미치는 주요 영향
  1. 전기 전도성 유지: 접착력이 높아야 전극 구성 요소가 전류 집전체에 단단히 고정되어 전자의 흐름이 원활합니다.
  2. 구조적 안정성: 접착력이 우수하면 반복적인 충·방전 사이클에도 전극의 형태가 안정적으로 유지됩니다.
  3. 사이클 수명 연장: 접착력 강화는 전극과 집전체 간 박리 현상을 줄여 셀의 수명을 연장합니다.

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2. SAICAS(Surface and Interfacial Cutting Analysis System) 측정 원리 및 분석법

SAICAS는 기존 Peel Test의 한계를 극복하기 위해 개발된 첨단 분석 도구로, 음극 극판의 접착력과 응집력을 정밀하게 측정합니다.

1) SAICAS 측정 원리

• V자 형태의 마이크로 블레이드를 사용해 음극 표면을 절단하며 수평 및 수직 방향의 힘을 동시에 측정합니다.
• 수평 방향 힘: 음극 소재와 집전체 사이의 접착력을 나타냄.
• 수직 방향 힘: 코팅층 내의 응집력을 반영.
• 특정 깊이에서의 접착력을 측정할 수 있어 음극-집전체 인터페이스뿐 아니라 내부 응집력도 분석 가능합니다.

SAICAS, 박리 테스트 원리 비교

a) SAICAS 분석 전, b) SAICA 분석 후 잔흔

2) SAICAS 분석 과정

• 블레이드 이동: 블레이드를 이용해 음극 표면을 일정 깊이로 절단.
• 접착력 계산: 수평 힘(FH)을 블레이드 너비(w)로 나누어 접착력(P)을 계산:

• 응집력 계산: 내부 응집력은 전극 두께와 각도를 반영하여 다음 공식을 통해 산출: 

• 깊이별 데이터 확보: 특정 깊이에서 접착 및 응집력을 시각화하여 데이터 프로파일 제공.

3) SAICAS 분석의 주요 장점

• 고정밀 측정: Peel Test와 달리 특정 깊이에서의 세부 접착력과 응집력을 동시에 측정.
• 다양한 변수 고려 가능: 전극 밀도, 바인더 함량, 접착 소재 종류 등 다양한 변수의 영향을 분석 가능.
• 광범위한 적용성: 전극 구조 분석부터 소재 최적화 연구까지 다양한 연구 분야에 활용 가능.
• 시각화 데이터 제공: 깊이별 접착력 및 응집력 데이터를 통해 전극의 특성을 체계적으로 평가 가능.

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3. Peel Test와의 비교

Peel Test는 음극 표면의 접착력을 간단히 평가할 수 있는 방법이지만, SAICAS와 비교할 때 여러 한계를 보입니다.

a) SAICAS, b) 박리테스트 결과

항목	SAICAS	Peel Test
측정 원리	마이크로 블레이드로 절단하며 접착력 및 응집력을 분석	테이프와 음극 표면 간 접착 강도 평가
결과 정밀도	특정 깊이에서 접착력 및 응집력 측정 가능	표면 접착력만 측정
응용 범위	음극-집전체 인터페이스 및 내부 응집력 분석 가능	표면 접착력 평가에 국한
정확도	접착력 및 응집력 모두 Peel Test보다 약 4배 높은 값을 측정	상대적 접착력만 측정 가능
측정 방법	-. SAICAS는 V형 미세 칼날을 사용하여 전극의 특정 깊이에서 접착 강도를 측정. -. 칼날은 수평으로 이동하면서 동시에 수직 방향의 힘을 측정하여 전극 내부 및 전류 집전체와의 접착 강도를 정밀하게 분석.	-. 12 mm 폭의 전극 샘플을 3M 접착 테이프에 부착한 후, 180°로 일정한 속도(100 μm/s)로 테이프를 떼어내며 접착 강도를 측정.

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4. SACAS 분석 예시

3.1 바인더 함량에 따른 접착 강도 변화

• 박리 테스트 결과: 바인더 함량이 증가할수록 접착 강도가 증가하는 경향을 보였습니다. 2 wt% 바인더 함량에서 접착 강도는 0.066 kN/m, 4 wt%에서 0.095 kN/m, 8 wt%에서는 0.104 kN/m로 나타났습니다. 하지만 4 wt% 이후에는 접착 강도의 증가가 둔화되었으며, 이는 최적의 바인더 함량이 4 wt%임을 시사합니다.
• SAICAS 측정 결과: SAICAS를 통해 측정한 접착 강도는 박리 테스트보다 약 4배 높은 값을 보였습니다. 2 wt% 바인더 함량에서 접착 강도는 0.282 kN/m, 4 wt%에서 0.408 kN/m, 8 wt%에서 0.479 kN/m로 나타났습니다. 이는 SAICAS가 전극의 내부 접착 특성을 보다 정밀하게 측정할 수 있음을 보여줍니다.

바인더 함량 (2, 4, 8 wt%) 별 접찰력 결과 좌) 박리테스트, 우) SAICAS

3.2 전극 밀도에 따른 접착 강도 변화

• 전극 밀도가 증가함에 따라 접착 강도가 증가하는 경향을 보였습니다. 밀도 1.4 g/cm³에서 접착 강도는 0.408 kN/m, 밀도 1.6 g/cm³에서 0.510 kN/m, 밀도 1.8 g/cm³에서는 0.552 kN/m로 측정되었습니다. 밀도가 증가하면 전극 내부의 구성 성분들 간의 접촉점이 증가하여 접착 강도가 향상되었습니다.
• SEM 이미지 분석: 전극의 밀도 변화에 따른 미세 구조를 분석한 결과, 밀도가 높아질수록 전극의 공극률이 감소하고, 구성 요소들 간의 접촉 면적이 증가하여 접착 강도가 향상됨을 확인할 수 있었습니다.

전극 밀도에 따른 접착강도 변화 좌) 전극 밀도별 음극 단면 SEM 이미지, 우) SAICAS 결과

3.3 바인더 종류에 따른 접착 강도 비교

• SBR/CMC 바인더를 사용한 전극은 PVdF 바인더를 사용한 전극에 비해 더 높은 접착 강도를 보였습니다. PVdF 바인더를 사용한 경우 접착 강도는 0.228 kN/m로 SBR/CMC 바인더(0.408 kN/m)의 약 55% 수준이었습니다.
• SBR/CMC 바인더 시스템은 나노미터 크기의 SBR 고무 입자들이 점접촉 형태의 강한 접착을 형성하여, PVdF 바인더에 비해 더 큰 접착 강도를 나타냈습니다.

바인더 종류에 따른 접착강도 비교

4. 결론 및 산업적 활용

SAICAS의 실용성과 혁신성

SAICAS는 음극 극판 접착력과 응집력을 정밀하게 분석할 수 있는 고도화된 도구로, 다음과 같은 장점을 제공합니다:

• 고정밀 데이터 제공: 특정 깊이에서의 접착력과 응집력을 측정하여 전극 구조의 상세한 분석 가능.
• 심층적인 문제 해결: 전극 소재의 설계 및 제조 공정을 최적화하는 데 필요한 정량적 데이터를 제공합니다.
• 광범위한 응용 가능성: 소재 연구, 전극 설계, 품질 관리 등 다양한 배터리 관련 분야에 활용 가능.

Peel Test의 한계와 보완

Peel Test는 간단한 표면 접착력 측정에 유용하지만, 정밀도와 세부 분석이 부족하여 다음과 같은 한계를 보입니다:

• 표면 중심 평가: 전극 내부 구조나 인터페이스 접착력은 평가하지 못함.
• 상대적 결과: 테이프와 측정 조건에 따라 결과가 달라질 수 있음.

최적 활용 방안

SAICAS는 Peel Test로는 해결할 수 없는 심층적 분석이 필요한 연구 및 개발 환경에서 특히 유용하며, 두 테스트를 병행하면 보다 폭넓고 정확한 데이터 확보가 가능합니다.
따라서 SAICAS는 배터리 셀 성능 향상과 안정성 강화를 위한 필수 분석 도구로 자리 잡을 가능성이 높습니다.

 

▶ 참고자료

-.B. Son et. al. ACS Applied Materials & Interfaces 2014 6 (1), 526-531, DOI: 10.1021/am404580f