단국대 원종호 교수팀, 화재 위험 낮춘 '바이오소재 배터리 분리막' 원리 규명

- 기존 PP 분리막 한계 극복…국제 학술지 ‘카본 에너지’ 게재

- 셀룰로오스·키토산 등 친환경 소재 적용, 화재 안전성 100도 이상 개선

- LG화학 등 산업계와 산학협력 결실…차세대 이차전지 상용화 기대

[비욘드포스트 이봉진 기자] 단국대학교 에너지공학과 원종호 교수 연구팀이 친환경 바이오소재를 활용해 이차전지 분리막의 성능과 화재 안전성을 대폭 향상하는 원리를 규명했다.
단국대는 원 교수 연구팀이 셀룰로오스, 키토산 등 바이오소재를 적용한 차세대 고안전성·고성능 배터리 분리막의 소재 설계 방향을 제시했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지 및 연료 분야 JCR 상위 3.4%에 해당하는 국제 학술지 ‘카본 에너지(Carbon Energy)’에 게재됐다.

분리막은 이차전지 내부에서 양극과 음극의 접촉을 막고 리튬이온의 이동을 돕는 핵심 소재다. 현재 상용화된 리튬이온 배터리에는 주로 폴리프로필렌(PP)이나 폴리에틸렌(PE) 소재의 분리막이 사용된다. 하지만 기존 플라스틱 기반 소재는 이온 이동 효율이 상대적으로 낮고 고온에서 쉽게 수축해 배터리 화재나 폭발로 이어질 수 있다는 단점이 지적돼 왔다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 셀룰로오스, 키토산, 피브로인 등 자연 유래 친환경 바이오소재에 주목했다. 방대한 선행 연구 데이터를 분석한 결과, 바이오소재를 적용한 분리막은 기존 PP 분리막에 비해 전해액 흡수율이 최대 약 14배 증가했으며, 이온전도도 역시 약 2.4배 향상된 것으로 확인됐다.

특히 배터리 화재와 직결되는 열 안정성 부문에서도 뚜렷한 개선 효과를 보였다. 바이오소재 기반 분리막은 소재 특유의 촘촘한 결합 구조 덕분에 220도 이상의 고온에서도 형태를 온전히 유지했다. 이는 기존 PP 분리막이 열수축을 일으키는 온도보다 100도 이상 높은 수치다.

이번 연구는 산업 현장의 실질적인 요구를 반영하기 위해 LG화학 등 관련 기업 연구진과의 산학협력으로 수행됐다. 학계는 이번 연구가 산업계에서 요구하는 이차전지 분리막의 성능 및 안전성 향상 방향을 학술적으로 체계화했다는 데 의의가 있다고 평가한다.
원종호 교수는 “이번 연구는 친환경 바이오소재를 활용한 차세대 배터리의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 지속적인 산학연 협력을 통해 관련 기술이 상용화될 수 있도록 기여하겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 충청남도 지역혁신 중심 대학지원체계(C-RISE)의 ‘기초지자체-대학 협약기반 자율형 지역현안 해결(보령시-단국대학교)’ 과제 지원을 받아 수행되었다. 논문의 제1저자로는 단국대 수소에너지학과 최종영 석사가 참여했다.

bjlee@beyondpost.co.kr