국내 연구진이 전자기기의 화재·폭발 위험을 줄이고 구부리거나 늘어나는 차세대 플렉시블 디바이스에도 적용할 수 있는 고성능 리튬이온전지 분리막 기술을 개발했다.
경북대학교는 정수환 응용화학공학부 교수팀이 이평수 중앙대 교수팀과 공동연구로 150℃의 높은 온도에서도 형태를 거의 유지하면서 기계적 변형에도 견딜 수 있는 '코어-셸(Core-Shell)' 나노섬유 기반 리튬이온전지 분리막을 개발했다고 3일 밝혔다.
리튬이온전지 내에서 분리막은 양극과 음극이 직접 닿아 단락(합선)되는 것을 막고, 리튬이온이 오가는 통로 역할을 하는 핵심 소재다. 현재 널리 쓰이는 폴리에틸렌(PE) 기반 분리막은 제조 단가가 낮고 화학적 안정성이 뛰어난 반면, 열에 약하다는 결정적인 단점이 있다.
100℃ 이상의 고온 노출 시 분리막이 급격히 수축해 양극과 음극이 부딪히면서 화재나 폭발 사고로 이어질 수 있기 때문에 웨어러블 디바이스 환경에서 열 안정성과 유연성을 동시에 갖춘 소재 개발이 시급한 과제로 꼽혀왔다.
연구팀은 동축 전기방사기술을 이용해 열적으로 안정한 폴리이미드(PI)를 외부 셸에, PI와 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 내부 코어에 적용해 열 안정성과 신축성을 동시에 갖는 나노섬유 분리막을 제작했다.
개발된 분리막은 150℃에서 1시간 가열한 뒤에도 면적 수축률이 약 4.0%에 그친 반면, 같은 조건에서 상용 PE 분리막은 약 96.1% 수축했다. 기계적 유연성을 나타내는 인장 변형률도 약 66.6%를 기록해 신축성도 함께 입증했다.
전기화학적 성능도 우수했다. 다공성 나노섬유 구조 덕분에 전해액 흡수율과 이온 전도도가 향상됐으며, 실제 전지(Full cell) 시험 결과 65℃와 90℃의 고온 충·방전 조건에서도 뛰어난 용량 유지율을 나타냈다.
정수환 교수는 “코어와 셸의 소재와 구조를 조절해 열적 안정성과 신축성을 동시에 확보하는 데 중점을 두었다. 향후 고온용 전지뿐 아니라 플렉시블·웨어러블 전자기기를 위한 안전한 에너지 저장 소재 개발에도 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
에스켐(S-CHEM)-경북대 산학협력 연구와 중앙대 ITRC(대학ICT연구센터) 지원사업을 비롯해 BK21 프로그램 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 '네이처 포트폴리오(Nature Portfolio)'의 국제 학술지인 'npj 플렉시블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)'에 온라인 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
