세라믹·바인더 가교 일체화 구조로 160℃에서 견디는 분리막 기술 구현
상용화 가능성이 높아 리튬이차전지의 안전성 확보 기대
대구경북과학기술원(DGIST·국양)은 이용민 에너지공학과 교수가 유명현 한밭대 교수 공동연구팀이 리튬이온전지용 고내열성 세라믹·바인더 가교분리막 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 이 기술을 고도화시키면 향후 이차전지 분리막 시장의 핵심기술로 자리 잡을 것으로 기대된다.
리튬이온전지용 세라믹 코팅 분리막은 전지 내부 단락을 방지하고, 이온 이동을 도와주는 역할을 한다. 그러나 두꺼운 세라믹 코팅층은 전지 에너지밀도를 하락시킬 뿐만 아니라 내부 저항으로 인한 전지 성능 저하로 이어질 수 있다.
또 분리막은 전지의 높은 에너지밀도를 위해 박막·경량화가 필수지만 세라믹 코팅층 두께 및 무게를 낮출 경우 분리막에 요구되는 내열성을 확보하지 못해 전지 안전성에 나쁜 악영향을 줘 기술적으로 매우 어렵다.
이를 해결하기 위해 내열성이 우수한 신소재를 도입하거나 코팅층 내부에 화학적 반응을 통해 분리막 내열성을 높이는 연구가 진행됐지만 높은 원재료 비용과 복잡한 공정으로 인한 대량·대면적 생산이 어려워 상용화가 불가능하다.
연구팀은 세라믹 표면에 폴리도파민을 코팅해 이를 세라믹 코팅층 내 바인더와 연결시켜 높은 내열성을 갖는 분리막 기술을 개발했다. 세라믹 코팅 분리막 제조 과정 중에 미리 폴리도파민이 코팅된 세라믹을 사용하면 분리막 건조 과정 중 슬러리 내 바인더와 축합반응(새로운 화합물을 만드는 반응)을 통한 가교 구조를 형성하게 되고, 이는 세라믹 코팅층 전체 물성에 막대한 영향을 미쳐 내부 접착력을 크게 향상시킨다.
그 결과, 세라믹 코팅층이 전해질에 함침되어도 접착 특성을 유지할 뿐아니라 분리막이 고온에 오랜시간 노출되더라도 수축되지 않는 우수한 내열성을 보였다. 상용 전지 수준의 가혹한 구동 조건에도 부반응 없이 성능을 유지했다.
이용민 교수는 “별도의 복잡한 공정없이 분리막 내열성을 크게 높일 수 있어 다양한 차세대 이차전지 분리막 소재로 활용될 수 있다. 기술을 더 고도화하면 이차전지 분리막 시장의 핵심기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 DGIST 에너지공학전공 노영준 박사과정생이 1저자로 참여했고, 최근 화학공학 분야 국제 학술지 '케미칼 엔지니어링 저널' 온라인판에 실렸다. 정식출판은 내달 1일 된다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
