경북대 정수환·중앙대 이평수 교수팀 공동 개발
기존 PE 분리막 96.1% 수축… 열 안정성 크게 높여
신축성까지 확보… 웨어러블·플렉시블 기기 활용 기대
경북대학교와 중앙대학교 연구진이 높은 온도에서도 잘 수축하지 않고 구부리거나 늘려도 견딜 수 있는 리튬이온전지 분리막을 개발했다. 배터리 화재 위험을 낮추고 웨어러블·플렉시블 전자기기의 안전성을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다.
경북대는 응용화학공학부 정수환 교수팀이 중앙대 화학공학과 이평수 교수팀과 공동으로 열에 강하면서 신축성을 갖춘 '코어-셸(Core-Shell)' 나노섬유 기반 리튬이온전지 분리막을 개발했다고 3일 밝혔다.
분리막은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에 들어가는 얇은 막이다. 두 극이 직접 맞닿아 합선되는 것을 막으면서 리튬이온은 오갈 수 있게 하는 일종의 '안전벽' 역할을 한다. 분리막이 고온에서 쪼그라들거나 손상되면 양극과 음극이 맞닿으면서 화재나 폭발로 이어질 수 있다.
현재 널리 사용되는 폴리에틸렌(PE) 분리막은 가격이 저렴하고 화학적으로 안정적이지만 열에 약한 것이 단점이다. 특히 100℃ 이상의 고온에 노출되면 급격하게 수축할 수 있어 높은 열이 발생하거나 반복적으로 휘어지는 환경에서 사용할 소재 개발이 과제로 꼽혀왔다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 하나의 나노섬유를 안쪽 '코어'와 바깥쪽 '셸'로 나눠 서로 다른 소재를 적용했다. 바깥에는 열에 강한 폴리이미드(PI)를 사용하고, 내부에는 PI와 잘 늘어나는 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 적용했다. 쉽게 말해 겉은 열에 강하고 속은 잘 늘어나는 이중 구조의 섬유를 만든 것이다.
성능 차이도 뚜렷했다. 연구팀이 개발한 분리막은 150℃에서 1시간 동안 가열한 뒤에도 면적이 약 4.0%만 줄었다. 같은 조건에서 기존 PE 분리막은 약 96.1% 수축했다. 잡아당겼을 때 늘어날 수 있는 정도를 나타내는 인장 변형률도 약 66.6%를 기록했다.
배터리 성능을 좌우하는 이온 이동 능력도 확보했다. 나노섬유 사이의 미세한 공간이 전해액을 잘 흡수하도록 해 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 했다. 실제 배터리를 이용한 시험에서도 65℃와 90℃의 고온에서 충·방전을 반복했을 때 높은 용량 유지율을 보였다.
연구진은 이번 기술이 고온 환경에서 사용하는 배터리는 물론, 휘거나 늘어나는 웨어러블·플렉시블 전자기기의 에너지 저장장치에도 활용될 가능성이 있다고 보고 있다.
정수환 경북대 교수는 "코어와 셸의 소재와 구조를 조절해 열적 안정성과 신축성을 동시에 확보하는 데 중점을 뒀다"며 "고온용 전지뿐 아니라 플렉시블·웨어러블 전자기기를 위한 안전한 에너지 저장 소재 개발에도 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 결과는 네이처 포트폴리오 국제학술지 'npj 플렉시블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)'에 지난달 19일 온라인 게재됐다. 연구는 에스켐(S-CHEM)-경북대 산학협력 연구와 중앙대 대학ICT연구센터(ITRC) 지원사업, BK21 프로그램 등의 지원을 받아 진행됐다.
