국내 연구진이 오팔(Opal) 보석 구조에서 착안해 성능과 안전성을 획기적으로 개선할 수 있는 리튬이차전지 분리막 소재 원천기술을 개발했다. 이 분리막을 적용한 리튬이차전지의 출력과 수명은 최대 3배까지 향상되는 것으로 나타나, 전기자동차 등에서 사용되는 중대형 전지의 성능을 한 차원 향상시킬 수 있을 것으로 보인다.
이상영 울산과학기술대학교 교수팀은 규칙적인 입자 배열을 특징으로 하는 오팔 구조와 정반대 형태의 ‘역오팔 구조’를 갖는 신개념 분리막을 개발했다고 24일 발표했다. 이 분리막은 나노미터 크기의 기공들이 균일하게 분포된 구조적 특징때문에 리튬이온 전달 특성과 내열성을 크게 향상시킨다.
모바일 전원 등으로 널리 쓰이는 리튬이차전지는 양극, 음극 및 전해액 이외에 미세 기공을 가진 필름인 분리막으로 구성된다. 이 분리막은 두 전극이 서로 닿지 못하도록 격리시키는 동시에 분리막 내부 전해액을 통해 리튬이온이 양극-음극 사이를 이동해 충전과 방전을 가능하게 하는 중요한 역할을 한다.
지금까지 분리막 소재로 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등이 많이 쓰였으나, 낮은 기공도와 불균일한 기공 구조로 인해 전기자동차용 전지와 같은 고출력, 고속 충전 등의 특성을 확보하기에는 어려움이 있었다. 또 전지 온도가 상승할 경우 분리막 열 수축에 의해 양극과 음극이 맞닿으면서 폭발이나 발화가 발생할 우려도 있었다.
연구팀은 100 나노미터(㎚) 크기의 실리카 나노입자를 가교반응(고분자 사슬의 결합으로 연결되는 반응)이 가능한 아크릴 고분자와 혼합해 폴리에스테르 다공성 지지체에 채워 넣은 후 자외선에 15초 노출시켜 가교 고분자를 제조했다. 이 과정에서 실리카 나노입자만을 선택적으로 제거하는 간단한 공정으로 역 오팔 나노 구조 분리막을 개발할 수 있었다.
개발된 역 오팔 분리막은 150℃ 고온에서도 전혀 열수축이 발생하지 않아 전지 폭발 및 발화 위험성을 크게 감소시켰다. 또 리튬이차전지에 적용한 결과 기존 전지에 비해 3배 이상의 출력, 2배 이상의 충전 속도 및 3배 이상의 수명 연장 등 높은 성능 향상을 보였다.
이상영 교수는 “기존 전지 대비 현저히 개선된 성능 및 안전성을 구현했다”며 “이를 통해 전기자동차용 전지를 포함한 차세대 전지 개발의 새로운 기술적 토대를 제공할 수 있을 것”이라고 설명했다.
화학·재료과학분야 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인 최신판에 게재됐다.
/백나영기자 100na@dt.co.kr
이상영 울산과학기술대학교 교수팀은 규칙적인 입자 배열을 특징으로 하는 오팔 구조와 정반대 형태의 ‘역오팔 구조’를 갖는 신개념 분리막을 개발했다고 24일 발표했다. 이 분리막은 나노미터 크기의 기공들이 균일하게 분포된 구조적 특징때문에 리튬이온 전달 특성과 내열성을 크게 향상시킨다.
모바일 전원 등으로 널리 쓰이는 리튬이차전지는 양극, 음극 및 전해액 이외에 미세 기공을 가진 필름인 분리막으로 구성된다. 이 분리막은 두 전극이 서로 닿지 못하도록 격리시키는 동시에 분리막 내부 전해액을 통해 리튬이온이 양극-음극 사이를 이동해 충전과 방전을 가능하게 하는 중요한 역할을 한다.
지금까지 분리막 소재로 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌 등이 많이 쓰였으나, 낮은 기공도와 불균일한 기공 구조로 인해 전기자동차용 전지와 같은 고출력, 고속 충전 등의 특성을 확보하기에는 어려움이 있었다. 또 전지 온도가 상승할 경우 분리막 열 수축에 의해 양극과 음극이 맞닿으면서 폭발이나 발화가 발생할 우려도 있었다.
연구팀은 100 나노미터(㎚) 크기의 실리카 나노입자를 가교반응(고분자 사슬의 결합으로 연결되는 반응)이 가능한 아크릴 고분자와 혼합해 폴리에스테르 다공성 지지체에 채워 넣은 후 자외선에 15초 노출시켜 가교 고분자를 제조했다. 이 과정에서 실리카 나노입자만을 선택적으로 제거하는 간단한 공정으로 역 오팔 나노 구조 분리막을 개발할 수 있었다.
개발된 역 오팔 분리막은 150℃ 고온에서도 전혀 열수축이 발생하지 않아 전지 폭발 및 발화 위험성을 크게 감소시켰다. 또 리튬이차전지에 적용한 결과 기존 전지에 비해 3배 이상의 출력, 2배 이상의 충전 속도 및 3배 이상의 수명 연장 등 높은 성능 향상을 보였다.
이상영 교수는 “기존 전지 대비 현저히 개선된 성능 및 안전성을 구현했다”며 “이를 통해 전기자동차용 전지를 포함한 차세대 전지 개발의 새로운 기술적 토대를 제공할 수 있을 것”이라고 설명했다.
화학·재료과학분야 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인 최신판에 게재됐다.
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