최근 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이고, 원가를 낮추기 위해 고형분 함량이 높은 리튬 이온 배터리 음극 슬러리에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이전에도 많은 연구가 있었지만, 아직 미세구조와 내부 상호작용에 관하여 명확한 이해가 부족하다. 이에 본 연구에서는 고형분 함량이 높은 리튬 이온 배터리 음극 슬러리의 유변학적 거동을 연구하였다. 또, 이에 대한 비선형 유변학은 진폭이 큰 진동 전단 하에서 분석하였고, SPP 분석을 통해 이를 해석하였다. 음극 슬러리는 활성 물질인 흑연(Gr), 전도성 첨가제인 카본 블랙(CB), 결합제인 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC) 등의 구성요소로 이루어져 있다. 이러한 구성요소 간의 복잡한 상호 작용이 두 단계 항복 거동으로 이어지는 것을 동적 변형 및 응력 스윕 테스트와 LAOS-SPP 분석을 통해 확인할 수 있었다. 두 단계 항복 거동에 영향을 미치는 중요한 요소를 식별하기 위해 Gr-CMC의 슬러리와 CB-CMC의 슬러리를 분석한 결과, Gr-CMC의 슬러리에서만 2단계 항복 거동을 나타낸 것을 통해 Gr과 CMC가 음극 슬러리의 두 단계 항복 거동의 주요 원인임을 알아내었다. 또한, 슬러리 내의 상호작용에 대한 실험을 위해 침강 실험을 진행하였고, 이를 통해 슬러리에서 흑연 입자 사이의 소수성 상호 작용과 흑연 입자에 흡착된 CMC에 의해 발생하는 물리화학적 상호 작용이 존재한다는 것을 알아내었다. 이를 바탕으로, 첫 번째 항복 거동은 흑연 입자 사이의 소수성 인력과 관련되어 작은 변형에서 부서지기 쉬워 파열되는 상호작용에 의해서, 두 번째 항복 거동의 SPP 분석에서 음극 슬러리의 두 번째 삼각근과 농축된 CMC 용액의 삼각근의 중첩에 의해 흑연 사이의 CMC 간의 상호작용에 의해 발생한다고 해석할 수 있다.
또한, 이 연구는 위의 내용을 바탕으로 바인더인 CMC의 분자량과 농도가 음극 슬러리의 항복 거동에 미치는 영향을 동적 변형 스윕 테스트와 LAOS-SPP 분석을 통하여 연구하였다. CMC의 분자량과 함량에 따라 음극 슬러리에서 다른 항복 거동을 나타내는데, 분자량이 낮거나 함량이 낮은 CMC를 포함하는 슬러리는 동적 변형 스윕 테스트에서 G' 및 G'' 이 급격히 증가하는 변형 경화 현상이 나타났다. 이는 CMC의 불충분한 흡착으로 인해 흑연 입자 간의 마찰 상호작용이 완화되지 못했기 때문이다. CMC의 분자량과 농도가 증가하면 변형 경화 현상이 일어나지 않고, 두 단계 항복 거동이 일어나게 된다. 이는 흑연 간의 상호작용과 CMC 간의 상호작용에 의해서라고 해석될 수 있다. 음극 슬러리에서 CMC의 분자량이 아주 높고, 농도가 아주 높은 경우에는 한 단계 항복 거동이 일어난다. 이는 CMC간의 network 형성으로 흑연 입자 간의 접촉이 사라졌기 때문이라고 해석될 수 있다. 이러한 결과들은 LAOS-SPP 분석을 통해 추가 분석을 했을 때, 동일한 결과를 보였다. 이를 통해 LAOS-SPP 분석을 통해 배터리 슬러리의 미세 구조 및 분산상태와 유변학적 항복 거동 사이의 상관관계에 대해 보다 정확한 정보를 제공할 수 있음을 입증할 수 있었다.
마지막으로, 이 연구에서는 온도에 따른 음극 슬러리의 유변학적 거동에 대한 분석을 하였다. 낮은 온도에서 음극 슬러리의 G' 및 G'' 값은 온도가 증가함에 따라 점차 감소하였다. 이를 해당 온도에서 CMC 폴리머 바인더의 분절 운동이 증가함에 따라 흑연 사이에 끼어 얽혀있는 CMC 폴리머의 얽힘이 감소하기 때문이라고 해석하였다. 특정 온도 임계값을 넘어서면 슬러리의 G' 및 G'' 값이 급격히 증가하는데, 이는 엔트로피 기반의 소수성 상호 작용의 변화로 설명할 수 있다. 물 분자는 흑연 입자 주위에 clathrate cage 구조를 형성하여 구조화된 상태로 인해 슬러리 시스템의 총 엔트로피를 감소시킨다. 그러나 온도가 증가하면 이 구조가 부서지게 되고, 결과적으로 흑연 입자가 소수성 상호작용에 의해 더 강하게 응집되어 흑연과 물 사이의 계면을 최소화하고, 시스템의 엔트로피를 증가시킨다. 또한, 첫 번째 항복 거동이 일어나는 구간만 그 값이 증가하고, 두 번째 항복 거동이 일어나는 구간에는 그 값이 감소하는 점과 첫 번째 항복 거동이 점점 작은 변형 진폭에서 일어난다는 점은, 작은 변형 진폭에서의 항복 거동이 흑연 간의 인력과 상관관계가 있으며, 큰 변형 진폭에서의 항복 거동은 CMC간의 상호 작용과 관련이 있다는 것을 두 단계 항복 거동의 물리적 원인을 분석한 연구가 보여주었기 때문에 이 해석을 뒷받침한다.