KR20170116539A - 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치 및 이를 이용한 리튬-황 전지용 양극 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 리튬-황 전지용 양극의 수직저항 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬-황 전지용 양극을 제작한 후, 전기적 품질을 평가하기 위한 수직저항 측정장치 및 이를 이용한 양극 평가 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 리튬-황 전지용 양극의 품질을 완제품으로 제조하여 평가하지 않아도 되므로 빠르고 간편하게 평가할 수 있으며, 충·방전기와 같은 장비를 이용하는 기존의 평가 방식에 비하여, 한 번에 측정 가능한 전극의 개수에 한정되지 않고 지속적으로 평가하는 것이 가능하다.

Description

리튬-황 전지용 수직저항 측정장치 및 이를 이용한 리튬-황 전지용 양극 평가 방법 {Vertical resistance measurement device of lithium-sulfur battery and method for evaluating cathode of lithium-sulfur battery using the same}
본 발명은 리튬-황 전지용 양극의 수직저항 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리튬-황 전지용 양극을 제작한 후, 전기적 품질을 평가하기 위한 수직저항 측정장치 및 이를 이용한 양극 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동 전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지 셀의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위 전지들을 전기적으로 연결한 전지 모듈의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 셀 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(Portable DVD), 소형 PC(Personal Computer), 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지 셀들을 포함하는 전지 모듈의 사용이 요구된다.
전지 모듈은 다수의 단위 전지들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 코어 팩에 보호회로 등을 접속함으로써 제조된다. 단위 전지로서 각형 또는 파우치형 전지를 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극 단자들을 버스 바 등의 접속 부재에 의해 연결하여 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지 모듈을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지가 단위 전지로서 유리하다.
종래에는 이차전지로서 니켈 카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬이온 전지 및 리튬폴리머 전지가 많이 사용되고 있다. 이러한 이차전지는 앞에서 설명한 바와 같은 장점으로 인하여 수요가 증가하고 있다.
한편, 이차전지의 생산과정에서 가장 중요한 것 중의 하나는 기준치 이상의 성능과 안전성 등을 제공하는지 여부를 확인하는 품질 관리이다. 여기서, 품질 관리는 이차전지가 제대로 충·방전 성능을 가지고 있는지를 잘 판단하여 양품을 생산하는 한편, 불량품을 선별해 내는 것이다. 이러한 품질 관리가 잘 이루어짐으로써 고품질의 이차전지를 생산할 수 있다. 이차전지의 특성을 평가하는 데에는 여러 가지 변수가 있으며, 일례로, 전지 셀의 두께, 개방회로 전압 및 내부 저항 등이다. 전지 셀의 두께는 이차전지의 구조적 특성에 의해 편차가 존재하며, 이는 조립 공정에서의 작업성에 영향을 크게 미치므로 이차전지의 중요한 관리 특성 중 하나이다. 또한, 개방회로 전압은 부하가 전혀 연결되지 않은 상태, 즉, 개방회로 상태에서의 전지의 전압을 의미하고, 내부저항은 전지에 전류가 흘렀을 경우에 전압이 얼마나 감소하는가를 나타내며, 이러한 전기적 특성은 전지로서의 성능을 평가하는데 매우 중요한 척도이다.
상기한 바와 같이 최근에 널리 사용되는 리튬 이온전지 및 리튬 폴리머전지 등과 같은 리튬 이차전지의 경우, 제조 후 소정의 충·방전을 실시하는 과정, 즉, 화성 공정을 거쳐야만 전지로서의 성능이 활성되므로 충·방전을 위한 장치가 이차전지의 생산 라인에 필수적 설비가 되었다.
이러한 이차전지의 특성을 측정하는 장치로서, 전지 셀의 두께를 측정하기 위해서 인디케이터를 이용한 두께 측정기와, 전압 또는 내부저항을 측정하기 위한 교류 임피던스(AC Impedence) 측정기를 사용하여 왔다.
그러나, 이러한 측정기들을 이용한 측정방법은 하나의 측정 대상에 대해 두 종류의 측정장치를 이용하여 2회 이상 측정하므로, 측정시간이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 또한, 교류 임피던스 측정기를 두께 측정기와는 별도로 사용하는 경우, 전압과 내부저항을 동시에 측정하는 장점은 있으나, 측정 포인트의 위치 또는 전극 단자들을 누르는 압력 차이 등의 변수에 의해 결과치가 다르게 나타나는 문제점이 있다. 또한 한정된 공간 내에서 여러 개의 장치를 측정해야 하는 현실에서는 많은 내부 저항 요소들에 의해 정밀도가 크게 떨어지므로, 전지 셀의 충전 전류의 정확도 또한 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 전지 셀의 주요한 특성인 두께, 전압 및 내부저항을 동시에 측정하고 사용자별 측정오차를 감소시킬 수 있는 이차전지 검사 장치에 관한 기술의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제1058388호 "이차전지 검사 장치"
종래의 리튬-황 전지의 성능을 평가하기 위하여, 코인-셀(Coin-cell) 전지로 제조한 후 소정의 충·방전기를 통해 충·방전 테스트를 실시하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 코인-셀과 같이 전지로 조립하는데 소요되는 시간과, 동시에 평가 가능한 전지의 개수에 제한이 있어 경제적이지 못한 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 리튬-황 전지용 양극의 수직저항을 측정한 결과 전기적 성능과 연관성이 있음을 실험적으로 밝혀내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이에 본 발명은 지지부재에 의해 고정된 하부 전극(Bottom electrode); 및 상기 하부 전극의 상부에서 수직 방향으로 상하 이동이 가능한 상부 전극(Top electrode);을 포함하여, 상기 상부 전극과 하부 전극 사이는 이격되거나 밀착될 수 있으며, 그 사이에 리튬-황 전지의 양극을 개재하여 상기 상부 전극의 무게만큼 가압하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 개시한다.
또한 ⅰ) 하부 전극에 리튬-황 전지용 양극 시편을 올려놓는 단계; ⅱ) 상기 양극 시편에 상부 전극을 올려놓는 단계; ⅲ) 상기 하부 전극과 상부 전극에 전류를 인가하는 단계; 및 ⅳ) 상기 양극 시편의 수직저항을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 측정된 수직저항을 상기 양극 시편의 두께로 나눈 값이 기준치 이상인지 판단하여 품질을 평가하는 리튬-황 전지의 양극 평가 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 리튬-황 전지용 양극의 품질을 완제품으로 제조하여 평가하지 않아도 되므로 빠르고 간편하게 평가할 수 있으며, 충·방전기와 같은 장비를 이용하는 기존의 평가 방식에 비하여, 한 번에 측정 가능한 전극의 개수에 한정되지 않고 지속적으로 평가하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예로서 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예로서 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 이용하여, 로딩에 따른 전도도를 측정한 데이터이다.
도 4는 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 이용하여, 로딩에 따른 초기 방전 용량을 측정한 데이터이다.
도 5는 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 이용하여, 전극 내 도전 네트워크가 좋지 않은 전극의 초기 충·방전 용량을 측정한 데이터이다.
도 6은 본 발명에 따른 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 이용하여, 전극 내 도전 네트워크가 좋은 전극의 초기 충·방전 용량을 측정한 데이터이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 한정되지 않는다.
전극과 같이 판상의 금속 저항을 측정하기 위하여 종래에는, 탐침(Probe)을 이용하여 표면저항을 측정하였으나, 본 발명은 전극 면 전체를 수직으로 가압하여 전극 전면에 걸친 수직저항을 측정함으로써, 이러한 수직저항과 전지의 초기 방전 용량 간의 상관관계를 밝혀내어, 충·방전 테스트를 하지 않고, 보다 간편하게 리튬-황 전지의 전극, 특히 양극의 성능을 평가하기 위한 것이다.
리튬-황 전지용 양극 내의 도전 구조는, 전극 내부의 도전재로 구성되는데, 두께가 얇을수록 도전재가 전극의 하부부터 상부까지 연결될 가능성(Percolation)이 커지지만, 전극이 두꺼워질수록 통계적으로 상기 가능성이 낮아진다. 이러한 도전 네트워크의 연결의 정도가 낮을 경우, 전극 내에서 전하의 이동이 원만하게 이루어지지 못해 활물질이 제 역할을 수행하지 못하여 전지의 성능 저하로 연결될 수 있다.
본 발명은 이러한 도전 네트워크의 연결의 정도를 수직저항으로 측정하고자 하는 것으로서, 수직저항 측정 시 도전 네트워크의 연결의 정도가 낮을 경우 전도성이 낮게 측정되고, 도전 네트워크의 연결의 정도가 높을 경우 전도성이 높게 측정된다. 따라서 측정된 수직저항은 리튬-황 전지용 양극 내 도전 네트워크의 정도를 가늠하는 척도가 될 수 있다.
리튬-황 전지용 수직저항 측정장치
본 발명은 지지부재에 의해 고정된 하부 전극(Bottom electrode); 및 상기 하부 전극의 상부에서 수직 방향으로 상하 이동이 가능한 상부 전극(Top electrode);을 포함하고, 상기 상부 전극과 하부 전극 사이는 이격되거나 밀착될 수 있으며, 그 사이에 리튬-황 전지의 양극을 개재하여 상기 상부 전극의 무게만큼 가압하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 개시한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치를 도 1 과 도 2에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 수직저항 측정장치(10)는 하부 전극(11)은 지지부재(13)에 의해 고정되어 있으며, 상부 전극(12) 단면이 하부 전극(11) 단면보다 크기가 크므로, 상기 상부 전극(12)이 수직 하강하여 하부 전극(11)에 도달 시, 하부 전극(11)의 전면을 포함하여 밀착될 수 있다. 따라서 리튬-황 전지용 양극 시편(20)의 전면에 안정적인 수직 가압을 위해 상부 전극(12)의 단면은 하부 전극(11)의 단면의 크기보다 크거나 같은 것이 바람직하다. 또한 상부 전극의 가압하는 힘을 일정하게 유지하며 외부 충격을 최소화하기 위하여 추가적으로 저항 측정수단으로서 디지털 멀티미터(Digital Multimeter, 16)를 상기 상부 전극(12)과 연결할 수 있다.
상기 상부 전극(12)은 하부 전극(11)과 마찬가지로 지지부재(14)로 안착되어 있을 수 있으며, 이러한 상부 전극(12)의 지지부재(14) 양측 면에는 프레임(15)이 연결되어 있을 수 있다. 품질 검사 작업 과정에서 하부 전극(11)에 대해 상하 수직 이동하는 상부 전극(12)은, 앞서 설명한 바와 같이, 하부 전극(11)의 지지부재(13)에 위치 고정된 상태에서 상부 전극(12)의 지지부재(14) 양측 면에 연결되어 있는 프레임(15)에 의해 그것의 수직 이동이 유도될 수 있다. 따라서, 프레임(15)의 안정적인 유도에 의해 상부 전극(12)은 하부 전극(11)에 탑재되어 있는 리튬-황 전지용 양극 시편(20)의 상면에 밀착될 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 수직저항 측정장치(10)의 하부 전극(11)과 상부 전극(12)의 단면의 모양은 측정 대상인 리튬-황 전지용 양극 시편(20)의 모양을 따를 수 있으며, 일 구현예에 따라 원형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 하부 전극(11) 및 상부 전극(12)은 통상의 전극 소재로서, 전도성이 우수한 금속인 것이 바람직하며, 예컨대 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 수직저항 측정장치(10)는 시편 전극, 특히 리튬-황 전지용 양극 시편(20)의 두께를 측정하는 두께 측정부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 리튬-황 전지용 양극 시편(20)의 두께를 측정하는 과정에서 측정의 정밀도를 향상시키기 위하여 편평도가 높은 금속 소재로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 상기 양극 시편(20)에서 방전된 전기가 주변의 금속 판재들로 전도되는 것을 방지하기 위하여, 바람직하게는 하부 전극(11) 및/또는 상부 전극(12)에는 절연체로 형성된 지지부재(13, 14)가 부착될 수 있다.
상기 지지부재(13, 14)는 절연체이자 충격 및 진동을 흡수하는 소재로서, 바람직하게는 탄성 소재로 이루어져 있어서, 측정 대상물인 리튬-황 전지용 양극 시편(20)에 인가되는 압력으로부터 소재 자체가 가지고 있는 탄성력을 이용하여 상기 양극 시편(20)이 파단되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 탄성 소재는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 고무 또는 폴리우레탄 소재가 사용될 수 있다.
리튬-황 전지의 양극 평가 방법
본 발명은 리튬-황 전지의 양극 평가 방법에 있어서, ⅰ) 하부 전극(11)에 리튬-황 전지용 양극 시편(20)을 올려놓는 단계; ⅱ) 상기 양극 시편(20)에 상부 전극(12)을 올려놓아 상기 양극 시편(20)을 일정한 무게로 가압하는 단계; ⅲ) 상기 하부 전극(11)과 상부 전극(12)에 전류를 인가하는 단계; 및 ⅳ) 상기 양극 시편(20)의 수직저항을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 측정된 수직저항을 상기 양극 시편의 두께로 나눈 값이 기준치 이상인지 판단하여 품질을 평가하는 리튬-황 전지의 양극 평가 방법을 제공한다.
이때 수직저항은 베이스라인(Base line)을 공제하여 보정한 값을 적용하는 것이 바람직한데, 상기 베이스라인이란 양극 시편(20)이 없는 상태에서의 하부 전극(11)과 상부 전극(12) 간의 저항을 의미한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 수직저항은 전류 인가 후 2분에서 5분 사이의 저항값 평균을 적용하는데, 그 이유는, 측정 시작 후 약 10 ~ 40초 사이의 전극 안정화 구간이 있기 때문이다. 이 안정화 구간은 상부 전극(12)이 가압하는 압력으로 인해 양극 시편의 구조가 변화하기 때문에 존재하며, 측정되는 모든 양극 시편(20)에 동일한 압력이 가해지기 때문에, 상부 전극(12)이 가압하는 압력이 일정하다면 양극 시편의 구조 변화는 측정되는 양극 시편의 종류에 관계없이 일정할 것이므로, 공제되는 베이스라인 또한 일정한 것으로 가정할 수 있다. 이러한 이유로 일정한 무게의 상부 전극(12)을 일관되게 사용하는 것이 정확한 수직저항의 측정을 위하여 바람직하다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
수직저항을 이용하여 전극의 품질을 평가하기 위하여, 하기 제조예 1 내지 3에 제시된 바와 같이 리튬-황 전지용 양극 시편을 제조하였다.
<제조예 1>
황 : 카본나노튜브(CNT)의 중량비가 7 : 3인 혼합물을 습식 분쇄(Wet ball milling) 공정을 통하여, 황-탄소 복합체를 얻었다. 상기 황-탄소 복합체와 도전재 및 바인더의 중량비가 각각 90 : 5 : 5의 비율로 조성된 비수계 슬러리로 제조하였다. 그 후 약 20㎛의 두께의 알루미늄 집전체 상에 코팅하고 12시간 동안 50℃에서 건조하였다. 최종적으로 로딩량이 1.27mAh/cm2, 2.42mAh/cm2, 3.42mAh/cm2, 6.68mAh/cm2, 양극 시편의 두께는 31㎛, 51㎛, 68㎛, 131㎛인 양극 시편을 얻었다.
<제조예 2>
황 : 카본나노튜브(CNT)의 중량비가 8 : 2인 혼합물을 습식 분쇄(Wet ball milling) 공정을 통하여, 황-탄소 복합체를 얻었다. 상기 황-탄소 복합체, 도전재 및 바인더의 중량비가 각각 80 : 10 : 10으로 조성된 비수계 슬러리로 제조하였다. 그 후 약 20㎛의 두께의 알루미늄 집전체 상에 코팅하고 24시간 동안 상온에서 건조하였다. 최종적으로 로딩량이 1.5mAh/cm2, 양극 시편의 두께는 22.6㎛인 양극 시편을 얻었다.
<제조예 3>
황 : 카본나노튜브(CNT)의 중량비가 9 : 1인 혼합물을 습식 분쇄(Wet ball milling) 공정을 통하여, 황-탄소 복합체를 얻었다. 상기 황-탄소 복합체, 도전재 및 바인더의 중량비가 각각 85 : 5 : 10으로 조성된 비수계 슬러리로 제조하였다. 그 후 약 약 20㎛의 두께의 알루미늄 집전체 상에 코팅하고 24시간 동안 상온에서 건조하였다. 최종적으로 로딩량이 1.9mAh/cm2, 양극 시편의 두께는 30.2㎛인 양극 시편을 얻었다.
< 실시예 >
1. 수직저항 측정장치의 제작
도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 수직저항 측정장치를 제작하였다. 상부 전극 및 하부 전극은 니켈(Ni)로 도금된 구리(Cu) 소재를 사용하여 원형으로, 상부 전극의 직경은 16mm, 하부 전극의 직경은 14mm로 제작하였다. 또한 상부 전극 무게는 510g으로 5.0N의 힘으로 시편 양극을 가압할 수 있고, 이때 상부 전극으로부터 전선(Cable)으로 디지털 멀티미터(Digital Multimeter, Kiethley 2000)와 연결되게 하였다.
2. 베이스라인 설정
상기 제작된 수직저항 측정장치의 상부 전극을 하부 전극에 올려놓고 1mA의 전류를 인가하여 측정된 저항값을 베이스라인(Base line)으로 설정하였다.
3. 리튬-황 전지용 시편 양극의 수직저항 산출
수직저항을 측정하기 위해 상기 제조예 1 내지 3에 따라 제조된 리튬-황 전지용 양극 시편을 하부 전극 위에 올려놓고, 그 위에 상부 전극을 올려놓아 무게만큼 압력을 가하게 한 후 1mA의 전류를 인가하였다. 측정 시작 후 2분에서 5분 사이의 저항값의 평균값에서 상기 설정된 베이스라인을 공제한 값을 수직저항으로 하였다.
결과
상기 제조예 1에 따라 제조된 31㎛, 51㎛, 68㎛, 131㎛ 두께의 양극 시편의 측정된 저항값은 각각 0.500Ω, 0.397Ω, 0.437Ω, 0.489Ω이었으며, 여기에서 베이스라인을 공제하여 보정된 수직저항은 각각 0.389Ω, 0.286Ω, 0.326Ω, 0.378Ω였다. 이 수직저항의 역수를 취하여 계산된 전도도는 각각 2.57S, 3.49S, 3.07S, 2.64S였다. 전도도를 양극 시편의 두께로 나눠 전도성(S/cm)을 계산해본 결과, 낮은 로딩부터 높은 로딩까지 순서대로 500S/cm, 489S/cm, 350S/cm, 175S/cm임을 알 수 있었다. 로딩별 전도성은 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극의 로딩이 상승함에 따라 전극의 전도성(S/cm)이 저하됨을 확인할 수 있다. 전극의 조성을 유지한 채로 전극의 로딩을 올렸기 때문에, 높은 로딩은 두꺼운 전극을 의미한다. 전극의 두께가 두꺼워짐에 따라 통계적으로 전극 내부의 도전 네트워크의 연결 정도가 떨어질 수밖에 없으므로, 즉, 전극의 전도성은 전극 내부의 도전 네트워크의 연결 정도를 의미하고, 이는 전극 내부의 도전 네트워크의 연결 정도를 수직저항으로 측정이 가능함을 의미한다.
한편 제조예 2에 따라 제조된 양극 시편의 보정된 수직저항은 5.40Ω이었으며, 제조예 3에 따라 제조된 양극 시편의 보정된 수직저항은 0.958Ω이었다. 이 수직저항의 역수를 취하여 계산된 전도도는 각각 0.185S, 1.04S였으며, 이 전도도를 양극 시편의 두께로 나눠 전도성을 계산해본 결과는 각각 81.9S/cm, 348S/cm의 전도성을 가짐을 알 수 있었다.
이하에서는 양극 시편의 수직저항과 리튬-황 전지의 충·방전 특성과의 상관관계를 비교하기 위하여, 상기 제조예 1 내지 3에 따라 제조된 양극 시편을 포함하는 리튬-황 전지를 제조하여 하기 시험예 1과 시험예 2를 실시하였다.
< 시험예 1>
상기 제조예 1에서 제조된 양극을 포함하고, 통상의 방법에 따라 제조된 리튬-황 전지를 10시간의 전해액 함침 후 0.1C의 속도로 충·방전시켰으며, 이에 따른 충·방전 용량 및 충·방전 효율에 관한 데이터가 기록되었다. 그 결과를 도 4에 도시하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 리튬-황 전지의 경우 양극의 로딩이 높을수록 전지의 초기 방전 용량 및 방전 전압이 감소하고 있으며, 이는 전극 로딩이 높을수록 또는 전극의 두께가 두꺼울수록 수직저항 측정으로 도출된 전극의 전도성과 상관관계가 있음을 알 수 있다.
< 시험예 2>
상기 제조예 2 및 제조예 3에서 제조된 양극을 포함하고, 통상의 방법에 따라 제조된 리튬-황 전지를 10시간의 전해액 함침 후 0.1C의 속도로 충·방전시켰으며, 이에 따른 충·방전 용량 및 충·방전 효율에 관한 데이터가 기록되었다. 그 결과를 각각 도 5 및 도 6에 도시하였다.
도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 제조예 2 및 제조예 3에서 제조된 양극을 포함하는 리튬-황 전지는 1.5mAh/cm2, 1.9mAh/cm2의 비슷한 로딩을 가지지만, 도 5를 참고하면 제조예 2의 전도성이 낮은 전극은 불과 300mAh/g 수준의 방전 용량을 구현하는데 비하여, 도 6을 참고하면 제조예 3의 전도성이 높은 전극은 1100mAh/g 수준의 방전 용량을 구현하는 것을 확인하였다. 이는 제조예 2에서 제작된 전극은 내부의 도전 네트워크가 원활하게 연결되어 있지 못함을 의미하고, 이러한 현상은 수직저항으로 측정 시 높은 수직저항, 혹은 낮은 전도성으로 나타나며, 전지로 제작 시 낮은 방전 용량으로 이어짐을 알 수 있다. 또한 제조예 3에서 제작된 전극은 전극의 조성 및 구성 물질 간의 도전 네트워크가 원활히 연결되게 도우며, 이 현상이 전극의 낮은 수직저항, 혹은 높은 전도성으로 표현되고, 전지로 제작 시 높은 방전 용량으로 이어짐을 의미한다.
따라서, 비슷한 로딩을 가진 전극의 수직저항과 전지 평가 결과를 비교해봤을 때, 수직저항 측정으로 전극의 질을 평가하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다. 결과적으로, 전극의 두께, 조성, 구성 물질에 의해 전극의 도전 네트워크의 연결 정도가 달라지며, 도전 네트워크의 연결 정도는 전극의 성능과 비례한다는 것을 확인하였다. 이는 수직저항 측정 방식으로 전극의 품질을 평가 가능함을 의미하며, 전지를 만들기 전에도 전극의 품질을 평가함으로써 시간과 비용을 절감할 수 있음을 의미한다.
10. 수직저항 측정장치
11. 하부 전극(Bottom electrode)
12. 상부 전극(Top electrode)
13. 지지부재
14. 지지부재
15. 프레임
16. 디지털 멀티미터
20. 리튬-황 전지용 양극 시편

Claims (11)

  1. 지지부재에 의해 고정된 하부 전극(Bottom electrode); 및
    상기 하부 전극의 상부에서 수직 방향으로 상하 이동이 가능한 상부 전극(Top electrode);
    을 포함하고,
    상기 상부 전극과 하부 전극 사이는 이격되거나 밀착될 수 있으며,
    그 사이에 리튬-황 전지의 양극을 개재하여 상기 상부 전극의 무게만큼 가압하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극 단면의 너비가 하부 전극 단면의 너비보다 크거나 같아서,
    상기 상부 전극이 하부 전극에 밀착 시, 하부 전극의 전면을 포함하여 밀착되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극과 상부 전극의 단면은 원형이며,
    상기 상부 전극의 지름이 하부 전극의 지름보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극은 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재는 탄성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 탄성 소재로 이루어진 지지부재로 고정되는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수직저항 측정장치는 리튬-황 전지의 양극의 두께를 측정하는 두께 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지용 수직저항 측정장치.
  9. 리튬-황 전지의 양극 평가 방법에 있어서,
    ⅰ) 하부 전극에 리튬-황 전지용 양극 시편을 올려놓는 단계;
    ⅱ) 상기 양극 시편에 상부 전극을 올려놓아 상기 양극 시편을 일정한 무게로 가압하는 단계;
    ⅲ) 상기 하부 전극과 상부 전극에 전류를 인가하는 단계; 및
    ⅳ) 상기 양극 시편의 수직저항을 측정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 수직저항을 상기 양극 시편의 두께로 나눈 값이 기준치 이상인지 판단하여 품질을 평가하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지의 양극 평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계 이전에,
    하부 전극 위에 상부 전극을 올려놓고 전류를 인가하여 측정된 저항값을 베이스라인(Base line)으로 설정하는 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지의 양극 평가 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 ⅳ) 단계에서,
    수직저항은 전류 인가 후 2분에서 5분 사이에 측정된 저항값의 평균에서 상기 제10항의 베이스라인을 공제한 값인 것을 특징으로 하는 리튬-황 전지의 양극 평가 방법.
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