전기차에서 중요한 부품인 리튬이온배터리. 리튬이온배터리를 구성하는 다양한 소재 중 빼놓을 수 없는 것이 있는데요. 바로 ‘음극바인더’입니다. 음극바인더는 음극 활물질을 기계적으로 안정시키고, 전지 효율을 높여주는 역할을 담당하는 중요한 요소 중 하나입니다. 오늘 FOCUS ON에서는 리튬이온배터리의 용량과 효율을 높이는 음극바인더에 대해 자세히 알아보겠습니다.
음극바인더에 대해 알아보기 전, 바인더(Binder)란 무엇인지 먼저 알아보겠습니다. 바인더란, 영어 단어 그대로 ‘제본’, ‘묶는 것’, ‘뭉치게 하는 것’을 의미합니다. 화학에서 ‘바인더’는 실제 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질인 ‘활물질’과 전자의 이동을 촉진시키는 ‘도전재’를 집전체라는 얇은 막에 접착시키는 역할을 합니다. 여기서 ‘집전체’는 배터리를 충전, 방전할 때 전기화학반응이 일어날 수 있게 전자를 활물질에서 내보내거나 외부에서 활물질로 전달하는 요소입니다. 활물질과 도전재가 잘 섞여 집전체에 균일하게 접착되면 배터리 성능이 안정적으로 유지됩니다. 바인더는 활물질이 도전재에 잘 섞이고 집전체에 균일하게 도포되도록 하며, 또한 전극의 계면 접착력과 내부 결착력 같은 기계적 특성을 유지하기 위해 첨가하는 재료인 셈입니다.
바인더는 전기가 통하지 않는 절연체로, 양극에 쓰이거나 음극에 쓰이는 등 그 사용에 따라 종류가 다릅니다. 바인더는 선 접촉형인 PVdF(Poly-Vinyli-Dene Fluoride), 점 접촉형인 SBR(Styrene Butadiene Rubber)과 CMC(Carboxymethyl Cellulose)를 주로 사용합니다. PVdF는 비수계 바인더이며, SBR과 CMC는 수계 바인더입니다. 비수계 바인더는 물에 잘 녹지 않아 회수, 수거되어야 하며 환경과 관련된 비용이 발생하게 됩니다. 반면 수계 바인더는 물을 용매로 사용하여 친환경적이며, 이로 인해 비용 부분에서도 선호되는 장점이 있습니다. 또한 선 접촉형 바인더 PVdF보다 점 접촉형 바인더 SBR, CMC가 고정력이 우수합니다. 보통 양극에는 비수계인 PVdF, 음극에는 수계인 SBR, CMC가 많이 쓰입니다. 양극재는 니켈, 코발트, 망간 등 부피 팽창 정도가 크지 않은 소재가 주요하게 쓰여 기본적인 점착 기능만 유지하면 충분한데 반해 음극재는 부피 변화가 큰 물질들이 주로 쓰이기 때문입니다.
최근 배터리 용량을 확대하기 위해 음극재에 실리콘 소재를 사용하는 경우가 증가하고 있습니다. 실리콘 이용은 기존에 사용하던 소재인 흑연 대비 약 10배에 달합니다. 하지만, 실리콘 소재의 경우 배터리를 충전하거나 방전할 때 부풀어 오르는 현상이 심하게 발생합니다. 때문에 배터리 수명이 단축된다는 문제도 있습니다. 이를 해결하기 위해 탄소나노튜브(CNT)를 도전재에 사용하게 되었으며, 더 나아가 강한 바인더를 사용함으로써 이러한 단점을 보완하게 되었습니다.
바인더의 결착력이 부실할 경우 충전, 방전 시 전극이 팽창하게 되며 활물질 간 거리가 멀어져 전자가 이동하는 양이 줄어들고 이동 시간이 늘어나게 됩니다.
LG화학은 이를 개선하기 위해 바인더 입자의 조성과 구조를 최적화하고, 특수 설계된 기능성 모노머를 통해 바인더 간 뭉침을 최소화했습니다. 덕분에 활물질과 접착 포인트가 많아져 접착 효율이 향상되었으며 도전재와 활물질 간의 결착력이 우수해졌습니다. 또한 전극 건조 과정에서 바인더가 전극 상단으로 이동되는 현상을 최소화하여, 바인더의 전극 내 고른 분포로 활물질 및 집전체와의 접착력을 향상시켰습니다. LG화학의 음극바인더는 전지 구동 시 전기화학적 안정성과 사이클(Cycle) 특성이 우수하며, 전지 내부 저항의 상승 폭은 낮습니다. 추가적으로 LG화학은 바인더와 실리콘 음극재에 들어가는 도전재용 탄소나노튜브(CNT)를 국내 최대 규모로 생산하고 있습니다.
LG화학의 음극바인더는 다양한 배터리 중심으로 사용됩니다. 자동차에는 주로 전기차에 사용되는 리튬이온배터리에 쓰이며 에너지 저장 장치인 ESS(Energy Storage System) 배터리로도 사용됩니다. ESS 배터리는 크게 주택용과 전력망용으로 구분할 수 있는데, 주택의 경우 태양광 패널과 연계하여 낮에 생산된 전기를 저장하고, 밤에는 낮에 저장한 전기를 사용하는 용도로 활용됩니다. 전력망용의 경우 풍력이나 화력발전소, 변전소 등에 설치됩니다.
오늘은 리튬이온배터리의 성능을 개선해 주는 음극바인더에 대해 알아보았습니다. 리튬이온배터리가 사용되는 전기차에 대한 관심도가 증가하면서 배터리의 용량과 효율을 높이기 위해 기술의 연구와 개발도 계속되고 있습니다. LG화학도 전지소재에 대한 연구와 개발을 강화하여 리튬이온배터리의 용량을 더 높일 수 있도록 노력하겠습니다.
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