나무에서 리튬이온전지용 분리막 세계 최초 성공

1조 2,000억 원 규모에 달하는 세계 리튬이온 2차 전지 분리막 시장 재편

2012-09-11 김현기 실장

최근 국내에서 나무로부터 리튬이온전지 분리막을 세계 최초로 개발해 화제다. 강원대 이상영 교수팀과 산림과학원 이선영 박사팀으로 구성된 공동연구팀은 산림청 연구개발사업 및 교육과학기술부/한국연구재단이 지원하는 기후변화대응 기술개발사업 지원을 통해 ‘나무에서 쉽게 얻을 수 있는 친환경 셀룰로오스를 활용한 리튬이온전지용 분리막 기술’을 개발했다. 이 연구결과는 지난 8월 영국왕립학회가 발행하는 국제적인 학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케니스트리’에 게재 되었으며 현재 관련 특허들을 국내외에 출원 완료했다.

리튬이온전지는 충방전이 가능한 2차 전지의 대표주자로서 일본의 Sony Energy Tech가 1991년에 세계에서 처음으로 양산한 이래 니켈수소전지를 대체하는 형태로 소형경량화가 진행된 모바일 제품을 중심으로 급속히 보급이 진행되어 왔다. 리튬이온전지는 고전압, 고에너지 밀도, 메모리 효과가 없고 장수명과 충전속도가 빠르다는 특징을 가지고 있다.
최근에는 리튬이온 2차전지의 대형화를 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 리튬이온전지가 IT쪽에서의 수요는 물론 전기자동차 배터리에 대한 수요도 증가할 것으로 예상됨에 따라 분리막 시장 역시 크게 성장할 것으로 보인다. 현재 전기자동차, 휴대전화, 노트북 등 각종 모바일 기기에 널리 사용되는 리튬이온전지용 분리막은 연 평균 약 14%의 성장률을 보이고 있다.

친환경 셀룰로오스를 활용한 리튬이온전지용 분리막 기술 개발

공동 연구팀이 개발한 분리막 신기술은 나무로부터 종이성분을 추출해 나노 셀룰로오스 섬유(직경 20~20nm)를 얻은 후 유기용매와 물의 조성비 등을 조절해 미세다공성 셀룰로오스 종이 분리막을 제조한 것이다. 나무에서 셀룰로오스를 추출해 나노 크기로 쪼개 슈퍼 나노종이를 만든 뒤, 나노종이에 형성된 공극(빈틈)을 통해 리튬이온을 함유한 전해액이 통과할 수 있도록 했다. 150도 고온에서 30분 간 노출했을 때 기존 분리막은 38% 수축 현상이 나타났으나 공동연구팀의 나노종이 분리막은 수축이 전혀 일어나지 않았다.
이상영 교수는 “신규 분리막은 현재 상업화되어 사용 중인 기존 폴리올레핀 계열 분리막에 비해 현저히 개선된 열적 안정성을 보였으며, 비극성 전해액뿐만 아니라 극성 전해액에 대해서도 우수한 젖음 특성을 보여 다양한 종류의 전해액 사용이 가능하게 했다”고 설명했다.
이 기술이 전기자동차용 대용량 전지에 적용될 경우 전지 안전성 및 고출력 성능에서 큰 개선을 보일 것으로 보인다.

전지의 핵심 구성 소재들 중에서 분리막은 양극과 음극 사이에 전달의 통로 역할을 하는 막으로서 마이크로미터 크기 이하로 조절된 기공을 통해 전해액을 함침시켜 리튬이온의 이동을 가능하게 하는 매우 중요한 기능을 담당하고 있다. 분리막은 2차전지의 안전성과 직결되는 소재 중 하나로, 친환경 소재로 분리막을 만드는 이 원천기술이 상용화 되면 우리나라는 1조 2,000억 원 규모에 달하는 세계 리튬이온 2차 전지 분리막 시장에서 막대한 대체효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구를 주도한 강원대학교 이상영 교수는 2008년 부임했으며, LG화학 배터리연구소에서 10여 년 이상 전지 소재를 연구한 분리막 분야 전문가로서 현재까지 약 60여 편의 SCI 논문, 80여 편의 국내외 특허 및 리튬전지국제학술대회(International meeting on lithium batteries)를 포함한 세계 저명 학회에 다수 초청강연을 하는 등, 리튬이온전지 분야에서 매우 왕성한 연구 활동을 보이고 있다.