1. 서론
신에너지 자동차, 에너지 저장 발전소, 휴대용 전자 장비의 핵심 에너지 저장 장치인 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도, 사이클 수명, 안전성이 하류 산업의 개발 한계를 직접적으로 결정합니다.니켈 폼 으으으으 구조-성능 으으으으 시너지 효과를 활용하여 기존 리튬 이온 전지 집전체의 낮은 효율 및 활물질 활용 부족과 같은 문제 해결에 탁월한 성능을 보였습니다. 고성능 리튬 이온 전지 연구개발의 핵심 보조 소재로 자리매김했습니다. 본 논문에서는 으으으으 구조-성능 으으으으 시너지 효과를 활용하여 으으으으 구조-성능 시너지 효과를 분석합니다.
2. 폼니켈의 기본 분석
2.1 구조 및 특성
폼 니켈은 3차원 상호 연결된 네트워크 구조를 가지며, 일반적인 기공률은 80%~95%, 비표면적은 최대 1~5m²/g, 저항률은 실온에서 5~10μΩ·센티미터, 인장 강도는 약 15~30MPa입니다. 높은 기공률 덕분에 리튬 이온 배터리에 활물질(예: 황 양극 및 실리콘 기반 음극)을 고용량으로 담을 수 있으며, 이는 기존 알루미늄 호일 집전체보다 20~40% 더 높습니다. 뛰어난 전기 전도도와 기계적 강도는 충방전 사이클 동안 전극의 부피 팽창을 견뎌내면서 전자 전달 손실을 줄여 배터리의 장기적이고 안정적인 작동을 위한 구조적 지지력을 제공합니다.
2.2 준비 과정
주요 제조 방법은 전기 도금과 화학적 환원으로 구분됩니다.
전착법: 폴리우레탄 폼을 기판으로 사용하여 전기 도금 공정을 통해 골격 표면에 니켈 층을 증착한 후, 고온 탈지 및 환원 소결을 통해 폼 니켈을 형성합니다. 제품 순도는 99.5% 이상에 달할 수 있으며, 개구 균일도 오차는 5% 미만입니다. 그러나 전기 도금 장비 투자 비용이 높고, 톤당 생산 비용은 약 3만~5만 위안입니다.
화학적 환원법: 니켈염 용액을 환원제(예: 차아인산나트륨)와 혼합하여 다공성 템플릿 표면에서 환원 반응을 일으켜 니켈 층을 형성합니다. 비용은 전착법의 60~70%에 불과하여 10,000톤 규모의 대량 생산에 적합합니다. 그러나 불순물에 의해 제품 순도가 쉽게 영향을 받으며, 장기간 사용 시 미세 구조적 박리가 발생할 수 있습니다.
두 가지 공정 중 어떤 것을 선택할지는 리튬 이온 배터리의 적용 시나리오에 따라 종합적으로 결정해야 합니다(예: 전력 배터리는 순도에 대한 요구 사항이 높은 반면, 에너지 저장 배터리는 비용에 더 중점을 둡니다).
3. 리튬이온 배터리의 작용 기전
3.1 전극 전류 수집기로서의 역할
양극 또는 음극 집전체로 사용될 경우, 발포 니켈의 3차원 네트워크 구조는 "3차원 전도성 네트워크를 형성할 수 있습니다. 전자 전달 경로 길이는 기존 금속 호일(예: 알루미늄 호일, 구리 호일)에 비해 40~60% 단축되어 배터리 내부 저항을 15~25% 감소시킵니다. 동시에, 다공성 구조는 더 많은 전해질을 수용할 수 있어 이온 전달 효율을 향상시킵니다. 1C 레이트 충방전 시험에서 배터리 용량 유지율은 기존 집전체에 비해 8~12% 향상되었으며, 레이트 성능도 크게 최적화되었습니다.
3.2 촉매 활성 성능
리튬-공기 전지에서, 폼 니켈 표면의 니켈 원자는 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(오에르)에 대한 촉매 활성 부위로 작용하여 반응 활성화 에너지를 약 0.2-0.3eV 감소시키고 전지 충전-방전 전압 격차를 10-15% 좁힐 수 있습니다. 리튬-황 전지에서, 폼 니켈은 리튬 폴리설파이드의 셔틀 효과를 억제하고 화학적 흡착을 통한 활성 물질의 손실을 줄여 500회 사이클 후 전지의 용량 감소율을 20% 미만으로 낮출 수 있습니다(기존 전지는 일반적으로 30%를 초과합니다).
3.3 배터리 성능에 대한 종합적인 영향
실제 테스트 데이터의 관점에서, 폼 니켈 전류 수집기를 사용하는 리튬 이온 배터리는 다음과 같습니다.
에너지 밀도는 10%-30% 증가합니다(예: 3원 리튬 배터리는 280Wh/kg에서 350Wh/kg으로 증가).
사이클 수명이 50%-100% 연장됩니다(예: 리튬 철 인산 배터리의 2000 사이클 후 용량 유지율은 85%를 초과하는 반면, 기존 배터리의 용량 유지율은 약 60%입니다).
저온 성능이 최적화되어 -20℃에서의 충전-방전 효율이 기존 배터리에 비해 15~20% 향상되어 추운 북부 지역의 신에너지 자동차 사용 요구를 충족할 수 있습니다.
4. 연구 진행 상황 및 적용 사례
4.1 최첨단 연구 동향
현재 연구는 성능 병목 현상을 극복하기 위해 폼 니켈을 변형하는 데 중점을 두고 있습니다.
복합재 개질: 그래핀과 탄소나노튜브를 폼니켈과 결합하여 "니켈-탄소 시너지 전도성 네트워크를 구성하여 재료의 전기 전도도를 30%-50% 증가시키는 동시에 내식성을 강화합니다.
표면 개질: 코발트, 니켈-인 합금 등을 전기 도금하여 폼 니켈 표면에 보호층을 형성합니다. 산성 전해질(예: 리튬-황 배터리 전해질)의 부식 속도는 0.01mm/년 미만으로 감소합니다(개질되지 않은 폼 니켈은 약 0.05mm/년).
구조 최적화: 그래디언트 기공 폼 니켈(표면 기공 크기는 작고 내부 기공 크기는 큰)을 개발하여 활물질의 충전을 보장할 뿐만 아니라 전해질 임피던스를 감소시켰습니다. 관련 기술은 CATL 및 BYD와 같은 기업의 실험실 샘플을 통해 검증되었습니다.
4.2 실제 적용 상태
폼 니켈은 두 가지 유형의 리튬 이온 배터리에서 대규모 적용을 달성했습니다.
리튬-황 배터리: 국내 한 기업은 탄소 코팅 폼 니켈을 양극 집전체로 사용하고 있습니다. 생산된 리튬-황 배터리는 에너지 밀도가 450Wh/kg이며, 소형 무인 항공기(무인 항공기)에 탑재되어 기존 리튬 이온 배터리 대비 체공 시간이 40% 향상되었습니다.
전력 배터리: 테슬라는 4680 배터리의 연구 및 개발에 폼 니켈 강화 양극 전류 수집기를 사용하여 배터리의 충전-방전 용량을 4C(15분 만에 완전 충전)로 높이는 동시에 열 폭주 위험을 줄였습니다.
현재 대규모 적용을 제한하는 핵심 문제는 여전히 비용입니다. 폼 니켈 전류 집전기의 비용은 전체의 약 8%-12%를 차지합니다.배터리 소재비용(기존 전류 집전기는 3~5%만 차지함)이 높고, 공정 최적화를 통해 추가적인 비용 절감이 필요합니다.
5. 과제와 전망
5.1 기존 문제
비용 문제 외에도 두 가지 핵심 과제가 있습니다.
안정성 부족: 고전압(예: 4.5V 이상) 리튬 이온 배터리에서 폼 니켈은 전해질과 계면 반응을 일으켜 니³⁺ 화합물을 생성하고, 이로 인해 배터리 임피던스가 증가하고, 1000회 충전 후 용량 감소율이 25%를 초과합니다.
일관성 제어: 대량 생산 시, 폼 니켈의 기공 크기와 두께 편차는 ±10%를 초과할 가능성이 높으며, 이로 인해 배터리 배치 간 성능 차이가 발생하고 하류 기업의 품질 관리에 영향을 미칩니다.
5.2 향후 개발 방향
공정 비용 절감: 폴리우레탄 폼 기질을 제거하기 위해 "템플릿 없는 전착 기술을 개발하여 생산 비용을 30% 이상 절감할 것으로 예상됩니다.
다중 시나리오 적용: 고체 리튬 배터리 및 나트륨 이온 배터리와 같은 새로운 에너지 저장 시스템의 경우 임피던스가 낮고 호환성이 높은 폼 니켈 유래 소재(예: 니켈 기반 복합 고체 전해질 캐리어)를 개발합니다.
산업화 업그레이드: 일체 포함 시각 검사 시스템을 도입하여 폼 니켈 제품의 일관성 오차를 ±5% 이내로 제어하여 전력 배터리의 대량 생산 요구를 충족합니다.
