CNT/Carbon Black 복합 도전재가 적용된 이차전지용 전극의 전기화학적 특성 및 성능 평가 = Electrochemical properties and performance evaluation of secondary battery electrodes using CNT/carbon black composite conductive additives

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Super P(SP), Denka Black(DB), Carbon Nanotube(CNT), CNT+ DB 4종류의 도전재를 적용한 NCM 622 양극을 제작하여, 도전재 구조가 전도망 형성과 전기화학적 성능에 미치는 영향을 비교·분석하였다. CNT 및 CNT+DB 분산액은 고압 균질화를 통해 제조하여 CNT 응집을 완화하고 균일한 네트워크 형성을 유도하였다. 전기적 특성 평가에서 CNT+DB 전극은 CNT의 1차원(line-to-line) 전도 경로와 DB의 점 접촉(point-to-point) 구조가 결합된 3차원 복합 전도망을 형성하여 가장 높은 전기전도도와 가장 낮은 전하 전달 저항(Rct)을 나타냈다.
전기화학적 성능 평가 결과, CNT+DB 전극은 고율(5 C) 충·방전과 2 C 장기 사이클링에서 네 도전재 중 가장 뛰어난 용량 유지 특성을 보였다. CNT 전극은 초기 용량과 고율 특성에서는 우수하였으나, 장기 구동 시 전도망의 구조적 붕괴로 인해 급격한 용량 감소가 나타났다. SP 전극은 입자형 도전 재임에도 균일한 구형 입자 구조로 인해 장기 안정성이 양호하여 CNT보다 높은 용량 유지율을 보였다. DB 전극은 높은 결정성으로 인해 SP 대비 초기 및 고율 성능은 우수하였으나, 작은 입자 크기와 단단한 응집 구조(hard agglomerate) 특성으로 인해 장기 사이클링에서는 전도망 유지가 어렵고 성능 저하가 빠르게 진행되었다.
종합적으로, 본 연구는 도전재의 구조적 특성(점·선·복합)이 전도 경로의 연속성 및 안정성에 크게 영향을 미치며, 이에 따라 양극 전기화학적 성능이 결정됨을 규명하였다. 특히 CNT+DB 복합 도전재는 고율 성능과 장기 내구성을 모두 향상시키는 효과적인 전도망 설계 전략임을 확인하였으며, 이는 고출력 및 고수명 리튬이온전지 개발의 유용한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, NCM 622 cathodes containing four conductive additives (Super P (SP), Denka Black (DB), carbon nanotubes (CNT), and a CNT+DB hybrid) were fabricated to examine how additive structure influences conductive-network formation and electrochemical performance. CNT and CNT+DB dispersions were prepared using high-pressure homogenization to reduce CNT agglomeration and promote uniform network formation. The CNT+DB electrode showed the highest electrical conductivity and the lowest charge-transfer resistance (Rct) owing to a three-dimensional hybrid network that combines CNT line-to-line pathways with DB point-to-point contacts.
In electrochemical tests, the CNT+DB electrode achieved the best capacity retention during high-rate (5 C) charge–discharge and 2 C long-term cycling.
The CNT electrode exhibited excellent initial capacity and rate capability but experienced rapid fading due to reduced network stability during extended cycling. The SP electrode showed better long-term stability than CNT because its uniform spherical morphology supported a more stable conductive network.
The DB electrode delivered strong initial and high-rate performance due to high crystallinity, but its small particle size and hard-agglomerate characteristics limited network stability during long-term cycling, leading to faster degradation.
Overall, this study shows that the structural nature of conductive additives (point-type, line-type, and hybrid) strongly affects the continuity and stability of electron-transport pathways, thereby determining cathode performance. The CNT+DB hybrid additive proved effective in improving both rate capability and long-term durability, offering useful guidance for developing high-power, long-life lithium-ion batteries.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1. 리튬이차전지 3
• 2.2. 양극 5
• 2.3. 음극 7
• 2.4. 도전재 9
• 2.4.1. Carbon Black 9
• 2.4.2. 탄소나노튜브(CNT) 10
• 2.4.3. 복합 도전재 11
• 2.5. 고압 균질기 14
• Ⅲ. 실험방법 17
• 3.1. CNT, CNT+DB 분산액 제조 17
• 3.2. LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 양극 제조 19
• 3.3. Cell 제조 21
• 3.4. 물리적 특성 분석 21
• 3.5. 전기화학적 특성 분석 21
• Ⅳ. 실험결과 24
• 4.1. 물리적 및 전기화학적 특성 분석 24
• 4.1.1. 물리적 특성 24
• 4.1.2. 전기화학적 특성 34
• Ⅴ. 결론 43
• 참고문헌 45
• ABSTRACT 51