DGIST 이용민 교수 연구팀, 기존 공정 활용 '분리막 신기술' 개발

↑↑ (오른쪽부터) DGIST 에너지공학과 이용민 교수, 노영준 석박사통합과정생. DGIST 제공

DGIST는 에너지공학과 이용민 교수, 한밭대 유명현 교수 공동 연구팀이 리튬이온전지용 고내열성 세라믹/바인더 가교 분리막 기술을 개발했다고 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.

또 분리막은 전지의 높은 에너지밀도를 위해 박막/경량화가 필수적이나. 세라믹 코팅층의 두께 및 무게를 낮출 경우 분리막에 요구되는 내열성을 확보하지 못해 전지의 안전성에 큰 악영향을 줘 기술적으로 매우 어렵다.

이를 해결하기 위해 내열성이 우수한 신소재를 도입하거나 코팅층 내부에 화학적 반응을 통해 분리막의 내열성을 높이는 연구가 진행됐으나, 높은 원재료 비용과 복잡한 공정으로 인한 대량/대면적 생산이 어려워 상용화가 불가능하다는 문제가 여전히 존재한다.

DGIST 이용민, 한밭대 유명현 공동 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 축합반응을 통한 가교 구조를 형성하게 되고, 이는 세라믹 코팅층 전체의 물성에 막대한 영향을 미쳐 내부 접착력을 크게 향상시킨다.

그 결과 세라믹 코팅층이 전해질에 함침돼도 접착 특성을 유지할 뿐만아니라 분리막이 고온에 오랜시간 노출돼도 수축되지 않는 우수한 내열성을 보임을 실험적으로 검증했다. 또 상용 전지 수준의 가혹한 구동 조건에도 부반응 없이 성능을 유지함을 입증했다.

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 고도화해 이차전지의 분리막 시장의 핵심기술로 자리 잡을 것이다”고 말했다. 

이번 연구 결과는 DGIST 이용민 교수, 한밭대 유명현 교수가 공동 연구를 바탕으로 DGIST 에너지공학전공 노영준 박사과정생이 1 저자로 참여해 화학공학 분야 국제 학술지 ‘케미칼 엔지니어링 저널’에 1월 6일 자 온라인판에 게재됐으며 오는 4월 1일에 정식 출판을 앞두고 있다.

황보문옥 기자