화학뉴스

GS유아사(GS Yuasa)가 일산화규소(SiO)를 음극으로 사용한 LiB(리튬이온전지)를 개발하고 있어 주목된다.
LiB 전극은 활물질을 집전체에 활착시켜 제조하며 바인더가 접착제 역할을 맡고 있다.
일반적으로 양극용으로 유기용매계 바인더인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를, 음극용으로는 수계 바인더인 SBR(Styrene Butadiene Rubber) 등을 사용하며 최근에는 고용량화가 가능한 합금계 음극재에 대응하기 위해 활물질 결착성이 높은 PAA(Polyacrylic Acid) 바인더도 주목받고 있다.
GS유아사는 LiB에 새로운 바인더나 전해액을 적용함으로써 kg당 300Wh급의 고용량화 및 장수명화를 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
SiO와 같이 실리콘(Silicone)계 활물질은 배터리 고용량화에 기여할 것으로 기대되고 충·방전 시 팽창수축이 크기 때문에 활물질을 활착시켜도 벗겨지기 쉬워 사용이 어려운 것으로 평가되나 신소재 적용과 함께 각종 소재를 조합할 수 있는 기술을 강화함으로써 차세대 배터리 시장을 확대해나갈 계획이다.
GS유아사가 SiO 음극을 사용해 개발한 차세대 LiB는 신규 바인더를 적용함으로써 고용량화를 실현했고 PAA 바인더를 사용해 시험 제작한 SiO 음극 LiB와 비교했을 때 뛰어난 용량 유지율을 갖춘 것이 확인됐다.
60mAh급 파우치형 LiB 셀을 사용한 사이클 시험에서 PAA 바인더를 사용한 배터리는 500사이클 후 용량 유지율이 38%였으나 신규 바인더 적용제품은 85%에 달했다.
다만, 개발제품은 충방전 사이클이 경과될수록 배터리 체적이 증가하는 단점이 있다.
현재까지 진행한 조사 결과 전해액 중 FEC(Fluoroethylene Carbonate)가 음극상 환원분해돼 가스를 발생시킨 것이 원인으로 분석되고 있다.
이에 따라 음극활물질 표면을 보호하는 전해액 첨가제 1,3-PRS(Propanesulfonate) 적용을 통해 배터리 팽창 대책을 강구했으나 PRS가 반응하면 가스 발생이 억제되지만 전해액이 분해돼 음극에 피막이 형성됨으로써 배터리 용량이 저하되는 새로운 문제를 발견했다.
이후 PRS로는 배터리 팽창과 용량 저하를 동시에 막을 수 없다는 판단을 바탕으로 새로운 전해액을 개발했으며 신규 바인더와 조합해 500사이클 후에도 배터리 팽창을 억제하면서 81%로 높은 용량 유지율을 확보하는데 성공했다.
아직 바인더, 전해액 개발제품과 시장 투입 시기 등을 공표하지 않았으나 LiB 고용량화를 위해 각종 연구개발(R&D)을 가속화하고 SiO 음극 LiB 분만 아니라 전고체전지, 리튬황전지 출시도 본격화할 계획이다. (K)