세계 최고 수준 성능 친환경 이차전지 바인더 개발

한국전기연구원

친환경 소재를 사용하면서 성능은 높인 이차전지 핵심 소재를 개발한 연구진. 왼쪽 앞줄부터 강동준, 임현균 연구원을 비롯한 연구진. 한국전기연구원 제공

국내 연구진이 친환경 소재를 사용하면서 성능을 높인 이차전지 핵심 소재를 개발했다. 해외 전량 수입에 의존했던 소재를 국산화하는 데 성공하면서 국내 이차전지 개발 경쟁력이 제고될 것으로 기대된다.

한국전기연구원(KERI)은 임현균‧강동준 절연재료연구센터 선임연구원 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST)과 성균관대 연구팀과의 공동연구를 통해 친환경 소재를 활용해 이차전지 바인더의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올린 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

이차전지의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 전극은 전기를 발생시키는 활물질과 전기의 흐름을 돕는 도전재 그리고 바인더를 용매와 함께 섞어 제조한다. 바인더의 역할은 활물질과 도전재가 금속판 집전체에 잘 붙을 수 있도록 도와주고 전극을 물리적으로 안정화하는 것이다.

바인더는 전극에서 차지하는 비중이 상대적으로 적어 그동안 연구가 더뎠지만 고용량·고성능 전지에 대한 수요가 늘어나며 관심이 높아지고 있다. 현재 리튬이차전지용 양극 바인더 소재로는 불소계 고분자 물질인 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)가 주로 사용되고 있다. PVDF는 일본이나 유럽의 일부 글로벌 기업들이 시장을 주도하고 있으며 활용 과정에서 전지의 안정성 저하 등 기능적인 문제도 계속 제기됐다.

특히 PVDF는 매우 강력한 탄소(C)-불소(F) 결합으로 구성돼 자연적으로는 거의 분해되지 않아 ‘좀비 화합물’이라고 불린다. 분해가 어렵다 보니 주변 환경에 긴 시간 잔류할 뿐만 아니라 연소시킬 때 상당량의 온실가스를 배출하는 것으로 알려졌다. 환경 유해성 이슈로 유럽연합(EU)은 PVDF를 사용 규제 대상으로 논의하고 있다. 이에 따라 PVDF를 능가하는 바인더 소재의 개발이 요구됐다.

연구팀은 양극용 바인더에 실록산을 적용해 이같은 문제를 해결했다. 실록산은 실리콘과 산소로 이루어진 화합물로 전기적 특성이 우수하고 화학적으로도 안정적이다. 연구팀은 수년간의 나노복합 기술 연구를 통해 유·무기 소재의 장점을 모두 가지는 하이브리드형 실록산 수지 제조기술을 확보했다. 이를 양극용 바인더에 적용할 수 있는 분자구조 설계 및 합성 제어기술까지 개발 완료했다.

연구팀은 해당 기술이 적용된 전지 제작을 통해 여러 검증도 거쳤다. 그 결과 이번에 연구팀이 개발한 바인더는 PVDF가 적용된 기존 바인더보다 1.4배 이상 높은 수명 안정성을 가지는 등 우수성을 확인했다. PVDF는 물리·화학적 안정성을 가지고 있고 접착성이 좋지만 최근 전지의 고용량화·고성능화가 진행되며 볼록해지는(스웰링) 현상 발생 및 내부 물질 간 반응이 발생하지 않는 등 여러 문제가 있었다. 이번에 개발된 기술은 이러한 한계를 뛰어넘는 성능을 확보했다.

이번 성과의 가장 큰 장점은 불소를 포함하지 않아 친환경적이고 인체에도 무해하다는 것이다. 연구팀은 “PVDF 사용을 제한하려는 EU의 환경 규제를 피할 수 있을 뿐만 아니라 전량 수입에 의존하는 양극 바인더의 해외 의존도 감소에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

연구를 이끈 임현균 선임연구원은 “한국 배터리 산업은 세계최고 수준이지만 양극 바인더는 국내에 전문 기술 및 기업이 없어 전량 수입에 의존하고 있다”며 “실록산을 활용한 우리의 친환경 바인더 기술이 기존 PVDF를 대체하고 전기차 등 고용량 전지를 필요로 하는 제품의 안전성과 수명을 증가시킬 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴셔널 펑셔널 머터리얼즈’ 최신호에 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adfm.202410866

[박정연 기자 hesse@donga.com]