경북대와 중앙대 연구진이 고온에서도 형태를 유지하면서 잘 늘어나는 리튬이온전지 분리막을 개발했다.3일 경북대에 따르면 응용화학공학부 정수환 교수팀은 중앙대 이평수 교수팀과 공동연구를 통해 150℃에서도 열 수축을 억제하고 기계적 변형에 견딜 수 있는 ‘코어-셸(Core-Shell)’ 나노섬유 기반 분리막을 개발했다.분리막은 리튬이온전지에서 양극과 음극이 직접 접촉해 단락되는 것을 막고 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하는 핵심 소재다. 현재 널리 사용되는 폴리에틸렌(PE) 분리막은 가격이 저렴하고 화학적 안정성이 높지만 100℃ 이상에서 급격히 수축하는 단점이 있다. 이 때문에 고온 환경에서는 배터리의 화재·폭발 위험을 높일 수 있다.연구팀은 동축 전기방사 기술을 활용해 열적으로 안정한 폴리이미드(PI)를 외부 셸에 배치하고, 내부 코어에는 PI와 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 적용했다. 서로 다른 소재를 코어-셸 구조로 결합해 열 안정성과 신축성을 동시에 확보한 것이다.개발된 분리막은 150℃에서 1시간 가열한 뒤에도 면적 수축률이 약 4.0%에 그쳤다. 같은 조건에서 상용 PE 분리막은 약 96.1% 수축해 개발 소재의 열 안정성이 크게 향상된 것으로 나타났다. 인장 변형률은 약 66.6%를 기록해 구부리거나 늘어나는 환경에서도 사용할 수 있는 가능성을 확인했다.전기화학적 성능도 확인됐다. 다공성 나노섬유 구조가 전해액 흡수와 리튬이온 이동을 돕는 것으로 나타났으며, 실제 전지(Full cell) 시험에서도 65℃와 90℃의 고온 충·방전 조건에서 높은 용량 유지율을 보였다.정수환 교수는 “코어와 셸의 소재와 구조를 조절해 열적 안정성과 신축성을 동시에 확보했다”며 “고온용 전지뿐 아니라 플렉시블·웨어러블 전자기기의 안전한 에너지 저장 소재로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.연구 결과는 네이처 포트폴리오 국제학술지 ‘npj Flexible Electronics’에 지난달 19일 온라인 게재됐다. 이번 연구는 에스켐(S-CHEM)-경북대 산학협력 연구와 중앙대 ITRC 사업, BK21 프로그램 등의 지원을 받아 수행됐다.
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