Optimization of multi-wall carbon nanotube length for enhanced nirich cathode performance in batteries

국문 초록 (Abstract)

전기차(EV) 및 대용량 에너지 저장장치(ESS)의 시장 확대로 인해 높은 에너지밀도의 리튬 이온 배터리에 대한 수요가 증가하고 있다. 이를 제조하는 방법 중 한 가지는 전지 내 도전재의 함량을 줄여 활물질의 비율을 높이는 것인데, 이에 따라 기존 카본 블랙(CB) 대신 전자 전도성과 구조적 안정성이 우수한 탄소 나노 튜브(CNT)가 채택되고 있다. 그러나 CNT는 긴 길이와 반데르발스 힘에 의해 뭉침 현상이 존재하여 분산 문제가 발생하며, 이를 그대로 도전재로 적용 시 전극 내 국부적인 전자 네트워크를 형성할 수 있다.
본 연구에서는 볼밀(Ball-miliing) 공정을 이용하여 CNT의 길이를 제어하고, 길이 변화에 따른 구조 변화, 분산 특성, 파우더 전도도, 그리고 전극 내 전기화학적 성능을 체계적으로 비교하였다. 우선 SEM 분석을 통해 CNT 2차 응집의 크기 감소를 확인하였으며, 이후 음파 처리를 통해 분산하여 길이를 직접적으로 확인하였다. 이후 Raman 분석을 통해 볼밀 시간에 따른 결함 밀도 증가로 인하여 전체적인 CNT 길이의 변화를 확인하였다. 또한 4-point probe 기반 분말 저항 측정 장비를 통해 CNT 파우더의 전도도를 측정하여 길이에 따른 밀도 대비 전자 전도도를 확인함으로써 소재의 특성 변화를 분석하였다.
이후 Cross section, SEM과 EDS를 활용하여 전극 내 도전재의 분산 정도를 확인했으며 이후 전도도와 분산 두 변수로 인한 전기화학적 성능에 미치는 영향을 측정하였다.
전기화학적 평가는 동일한 도전재 함량 조건에서 진행되었으며, 비교적 짧은 길이의 CNT를 사용한 전지의 내부 저항이 감소하여 우수한 고율 특성, 낮은 과전압과 전지 수명 유지의 향상됨을 확인하였다. 특히 약 1um 수준의 CNT는 분산성과 전도도 특성을 균형 있게 유지하여 높은 전류 밀도 충/방전 시 가장 우수한 성능을 나타냈다. 또한, GITT 분석 결과 마찬가지로 가장 높은 리튬 확산 계수를 가지며, 이는 균일한 전자 네트워크 형성이 원활한 이온 확산에도 긍정적인 영향을 미침을 의미한다.
결론적으로 균일한 분산성과 전자 전도도 특성을 동시에 가져올 수 있는 CNT 길이의 최적화는 고에너지 밀도 전지를 구현하는 데 효과적으로 실현할 수 있는 접근 방식이며, 특히 짧은 CNT의 사용은 공정 비용과 적용 가능성 측면에서도 충분한 산업 경쟁력을 갖출 것으로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rechargeable batteries require not only high energy density but also optimized power performance and cost-effectiveness. To increase energy density, the amount of conductive additive is minimized to maximize the proportion of active material. Currently, the conductive additive used in electrodes is shifting from carbon black to carbon nanotubes (CNTs), owing to their superior electrical properties. This advantage enables the fabrication of electrodes and cells with a reduced CNT content. However, due to the inherent agglomeration tendency of CNTs, improving their dispersion is essential to form a uniform conductive network within the electrode. Therefore, both processing efficiency and electrochemical performance must be considered when designing the cell.
In this study, the CNT length was controlled to enhance dispersion and subsequently improve electrochemical performance. A ball‐milling process was used to adjust CNT length under fixed processing conditions, except ball-mill time. After ball milling, the reduction in CNT length and the conductivity of CNT powder were confirmed. After fabrication electrode, degree of conductive agent dispersion within the electrode was evaluated. The results demonstrate that the optimized CNT length takes both conductivity and improved dispersion, and leads to enhanced electrochemical performance.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background Theory 4
• 2.1 Lithium-Ion Battery System 4
• 2.2 Layered Ni-rich Cathode 6
• 2.3 Conductive agent 8
• 2.4 Carbon Nanotube 11
• A. Application of Carbon Nanotube 11
• B. Carbon Nanotube properties 13
• Chapter 3. Experimental Methods 17
• 3.1 Multi-Wall CNT Treatment 17
• A. Length control by Ball-milling Procedure 17
• B. Multi-Wall Carbon Nanotube Dispersion 18
• 3.2 Electrode and Cell fabrication 21
• A. Cathode Electrode Fabrication 21
• B. Half-Cell Fabrication 22
• 3.3 Multi-Wall Carbon Nanotube Property Analysis 25
• 3.4 Electrochemical Analysis 26
• Chapter 4. Results and Discussion 27
• 4.1 Structural Modification of CNTs After Ball-Milling 27
• 4.2 Powder Conductivity as a Function of CNT Length 35
• 4.3 Dispersion Behavior of CNTs in The Electrode 38
• 4.4 Electrochemical Performance 40
• A. Rate and Cycle Performance 40
• B. Resistivity and Overpotential 47
• 4.5 Optimization of MWCNT Aspect Ratio 51
• Chapter 5. Conclusions 54
• References 56