▲ 황과 MWNT (Multi wall carbon nanotube)를 합성한 MWNT@S 활물질 제조 및 감압여과 공정을 통해 종이 분리막과 일체화된 황 기반 종이 전극 제조 공정을 나타내는 모식도

기술패권 경쟁 및 공급망 위기, 기후변화 등으로 관련 기술개발이 시급한 가운데 국립산림과학원이 친환경 소재인 나노셀룰로오스(CNF)를 활용해 리튬이차전지의 현재를 뛰어넘을 수 있는 차세대 융합기술 연구에 나섰다.

산림청 국립산림과학원(원장 배재수)은 전기차로 수요가 급증하고 있는 리튬이온전지 분야에 나노셀룰로오스를 적용한 연구 결과를 모은 ‘나노셀룰로오스를 이용한 첨단 신소재 개발-리튬이온전지’ 간행물을 발간했다고 4일 밝혔다.

나노셀룰로오스는 나무의 구성 성분인 셀룰로오스를 나노 크기로 쪼갠 고분자 물질을 말한다. 특별한 물리·화학적 성질을 가지고 있어 다양한 분야에 적용되고 있으며, 특히 전지 분야에서 기존의 부품 또는 장치의 일부 적용에 관한 시도는 기존의 패러다임을 바꾸는 새로운 개념이다.

산림과학원은 연세대학교 이상영 교수팀과 5년간 공동연구로 나노셀룰로오스를 적용해 기존 리튬이온전지의 한계를 극복한 △리튬-황(Li-S) 전지 △리튬-메탈(Li-metal) 전지 △무기물 코팅층용 바인더 적용연구들을 수행했다.

공동연구팀은 차세대 전극 활물질인 황을 이용해 나노셀룰로오스 섬유 및 TEMPO 산화셀룰로오스 섬유가 도입된 전극-분리막이 일체화된 신규 종이 전극을 제조했다. 이를 적용한 종이 전지를 구현해 향상된 전기화학 성능을 보이는 것과 종이 기반의 향상된 유연성을 바탕으로,다양한 기계적 변형 하에서 안정한 성능을 보이는 것이 확인됐다.

고에너지 밀도의 전지인 리튬 금속전지의 사용을 위해 해당 전지에서 문제가 되는 리튬 금속의 문제점을 해결하기 위해 기존과는 다른 개념의 리튬 금속 보호층을 개발했다. 해당 보호층의 구조 분석 및 리튬 금속에 적용하여 전기화학적 특성을 분석했고, 적용된 나노셀룰로오스 구조는 금속 보호층으로써의 역할을 확실히 보장했다.

또한 기존의 무기물 분리막 코팅 공정은 가연성 및 유독성의 아세톤을 포함하는 유기 용매 기반 공정으로 유기 용매의 지속적이고 높은 휘발성으로 인한 슬러리 농도 변화등의 문제성을 지니고 있다. 이를 해결하기 위하여 나노셀룰로오스를 무기물 코팅층용 바인더로 적용하기 위한 실험들과 강한 기계적 변형을 주기 위해 구김 평가를 진행했다.

이를 통해 종코팅층이 안정적으로 접착돼 있음과 우수한 내열 특성 및 접착특성을 통해 기존의 분리막에 비해 우수한 열적 안정성을 확인했다. 또 기존의 필름 형태의 바인더와는 달리 CNF 바인더의 1D 섬유 형태를 통해 우수한 이온전도도 특성을 보였다. 해당 분석 결과들을 기반으로 나노셀룰로오스기반 무기물 코팅 분리막의 가능성을 확인했다.

한편, 나노셀룰로오스의 리튬이온전지 활용 기술 개발에 관한 내용을 담고 있는 간행물은 플라스틱 대체 친환경 소재 개발 및 차세대 리튬이온전지 적용 기술에 관심 있는 국민이라면 국립산림과학원 도서관 홈페이지에서 누구나 살펴볼 수 있다.