기존 공정을 그대로 활용하는 이차전지 분리막 신기술 개발

- 세라믹/바인더 가교 일체화 구조 설계
- 리튬이차전지 안전성 확보 기대

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양)은 에너지공학과 이용민 교수, 한밭대 유명현 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지용 고내열성 세라믹/바인더 가교 분리막 기술을 개발했다고 3월 30일 밝혔다.
  리튬이온전지용 세라믹 코팅 분리막은 전지의 내부 단락을 방지하고, 이온의 이동을 도와주는 역할을 하고 있다. 그러나, 두꺼운 세라믹 코팅층은 전지의 에너지밀도를 하락시킬 뿐만 아니라 내부 저항으로 인한 전지 성능 저하로 이어질 수 있다. 또한, 분리막은 전지의 높은 에너지밀도를 위해 박막/경량화가 필수적이나. 세라믹 코팅층의 두께 및 무게를 낮출 경우 분리막에 요구되는 내열성을 확보하지 못하여 전지의 안전성에 큰 악영향을 주어 기술적으로 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 내열성이 우수한 신소재를 도입하거나 코팅층 내부에 화학적 반응을 통해 분리막의 내열성을 높이는 연구가 진행되었으나, 높은 원재료 비용과 복잡한 공정으로 인한 대량/대면적 생산이 어려워 상용화가 불가능하다는 문제가 여전히 존재한다.
  DGIST 이용민, 한밭대 유명현 공동 연구팀은 세라믹 표면에 폴리도파민을 코팅하여 이를 세라믹 코팅층 내 바인더와 연결시켜 높은 내열성을 갖는 분리막 기술을 개발하였다. 세라믹 코팅 분리막 제조 과정 중에 미리 폴리도파민이 코팅된 세라믹을 사용하면 분리막 건조 과정 중 슬러리 내 바인더와 축합반응을 통한 가교 구조를 형성하게 되고, 이는 세라믹 코팅층 전체의 물성에 막대한 영향을 미쳐 내부 접착력을 크게 향상시킨다. 그 결과, 세라믹 코팅층이 전해질에 함침되어도 접착 특성을 유지할 뿐만 아니라 분리막이 고온에 오랜시간 노출되어도 수축되지 않는 우수한 내열성을 보임을 실험적으로 검증하였다. 또한, 상용 전지 수준의 가혹한 구동 조건에도 부반응 없이 성능을 유지함을 입증하였다.
  DGIST 이용민 교수는 “본 기술은 별도의 복잡한 공정없이 분리막의 내열성을 크게 높일 수 있어 다양한 차세대 이차전지의 분리막 소재로 활용될 수 있으며, 해당 기술을 더욱 고도화하여 이차전지의 분리막 시장의 핵심기술로 자리 잡을 것이다”라고 포부를 밝혔다.
  이번 연구 결과는 DGIST 이용민 교수, 한밭대 유명현 교수가 공동 연구를 바탕으로 DGIST 에너지공학전공 노영준 박사과정생이 1 저자로 참여하여 화학공학 분야 국제 학술지 ‘케미칼 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)’에 1월 6일 자 온라인판에 게재되었으며 4월 1일에 정식 출판됐다.

[연구 결과 개요]

리튬이온전지에 대표적으로 사용되고 있는 폴리올레핀계 분리막은 낮은 내열성을 갖고 있어 이를 보완하기 위해 분리막 표면에 세라믹 코팅층(Ceramic coating layer, CCL)을 도입하였다. 이를 Ceramic coated separator(CCS)라고 부르며 이는 전지가 고온에 노출되어도 CCL가 분리막의 열수축을 억제하여 전지의 안전성 확보에 중추적인 역할을 한다. 그러나 분리막 위에 추가적으로 도입된 CCL은 필연적으로 전지의 에너지밀도 손실과 전기화학적 성능 저하로 이어진다. 이러한 약점을 완화하기 위해 우리는 세라믹 입자와 고분자 바인더 사이의 새로운 화학적 가교를 설계하여 열 안정성을 유지하면서 CCL의 두께를 최소화했다.
  이를 위해 간단한 용액 중합법을 이용하여 세라믹 입자의 표면에 폴리도파민(Polydopamine, PD)층을 도입한다. 그 후, PD의 아민 그룹과 반응할 수 있는 폴리아크릴계 바인더를 사용하여 세라믹 코팅 슬러리를 제조한다. 이는 CCS 제조의 건조 과정에서 CCL 내에 많은 가교점을 생성할 수 있으며, 이 결과 전해질 함침 후 CCL 내에서 더 높은 접착력으로 나타난다.
  최종적으로 가교 PD 세라믹 코팅 분리막(xPD-CCS)은 9μm PE(폴리에틸렌) 분리막 원단으로 160°C에서도 1시간 동안 수축되지 않고 원래 면적을 유지할 수 있는 높은 내열성을 갖게 된다. 또한 xPD-CCS가 적용된 전지(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/흑연)는 원단 분리막 및 가교되지 않은 PD-CCS와 유사한 전지 수명 성능(400 사이클 후 89.2%의 용량 유지)을 나타내어 전기화학적으로도 우수한 성능을 보여줬다.

<그림 1> 세라믹 입자/고분자 바인더 가교 반응 모식도 및 물성 평가 결과. (자료제공: DGIST 이용민 교수)

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