화학뉴스

국내 연구진이 불소계 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 사용하지 않는 2차전지용 바인더를 개발했다.
한국전기연구원(KERI) 절연재료연구센터 임현균·강동준 박사팀은 KIST 유정근 박사, 성균관대 김종순 교수 연구팀과 공동연구를 통해 2차전지용 바인더의 성능을 세계 최고수준으로 높이면서 친환경 소재까지 사용하는 기술 개발에 성공했다.
2차전지의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 전극은 전기를 발생시키는 활물질과 전기 흐름을 돕는 도전재, 바인더를 용매와 함께 섞어 제조하며 바인더는 활물질과 도전재가 금속판(집전체)에 잘 붙을 수 있도록 도와주고 전극을 물리적으로 안정화하는 역할을 한다.
바인더는 전극에서 차지하는 비중이 상대적으로 작아 그동안 연구가 더뎠으나 고용량·고성능 배터리에 대한 수요가 늘어나며 관심이 높아지고 있다.
현재 LiB(리튬이차전지)용 양극 바인더 소재로 불소계 고분자 물질인 PVDF가 주로 사용되나 PVDF는 일본이나 유럽의 일부 글로벌기업들이 시장을 장악하고 있고 활용 과정에서 전지의 안정성 저하 등 기능적 문제도 제기되고 있다.
또한, PVDF는 매우 강력한 탄소(C)-불소(F) 결합으로 구성돼 자연적으로는 거의가 분해되지 않고 주변 환경에 긴 시간 잔류할 뿐만 아니라 연소시킬 때 상당량의 온실가스를 배출하는 것으로 알려져 유럽연합(EU)은 PVDF를 사용규제 대상으로 논의하고 있다.
이에 따라 PVDF를 능가하는 바인더 개발이 요구되며 KERI 연구팀은 양극용 바인더에 실록산(Siloxane)을 적용해 과제를 해결했다. 실록산은 실리콘, 산소 화합물로 전기적 특성이 우수하고 화학적으로도 안정적이다.
임현균·강동준 박사팀은 수년 동안의 나노복합기술 연구를 통해 유·무기 소재의 장점을 모두 가지는 하이브리드형 실록산 수지 제조기술을 확보했고 양극용 바인더에 적용할 수 있는 분자구조 설계 및 합성제어 기술까지 개발을 완료했다.
연구팀은 신기술을 적용한 완전지(Full Cell)를 제작하고 KERI 기술이 PVDF가 적용된 기존 바인더보다 1.4배 이상 높은 수명 안정성을 가지는 등 우수성을 확인했다.
PVDF는 물리·화학적 안정성을 가지고 있고 접착성이 좋으나 최근 배터리 고용량화·고성능화가 진행되며 스웰링(Swelling) 현상 발생, 내부물질 간 부반응 등 여러 문제가 지적되고 있다.
하지만, KERI의 기술은 한계를 뛰어넘는 성능을 확보했으며 불소를 포함하지 않아 친환경적이고 인체에도 무해한 특징을 갖추어 PVDF 사용을 제한하려는 EU의 환경규제를 피할 수 있을 뿐만 아니라 전량 수입에 의존하는 양극 바인더의 해외의존도 감소에 기여할 것으로 기대되고 있다.
KERI 임현균 박사는 “국내 배터리산업은 세계 최고수준이지만 양극 바인더는 국내에 전문기술 및 생산기업이 없어 전량 수입에 의존하고 있다”며 “실록산을 활용한 친환경 바인더 기술이 기존 PVDF를 대체하고 전기자동차(EV) 등 고용량 전지를 필요로 하는 분야의 안전성과 수명을 개선할 수 있을 것”이라고 강조했다.
연구 결과는 우수성을 인정받아 소재 분야 세계적 학술지 Advanced Functional Materials에 최근 표지 논문으로 게재됐다. (강)