국립 부경대학교

국립부경대 조계용 교수팀, 이차전지 ‘열 폭주’ 억제 분리막 개발

- 리튬이온 배터리 분리막에 불소계 고분자 코팅으로 자기 소화(消火)능력 부여

- 국제학술지 <Journal of Materials Chemistry A> 게재 및 표지 논문 선정

△ 조계용 교수 연구팀 사진(왼쪽부터 조계용 교수, 박재원, 권영제, 김세훈, 배지우, 이민정, 윤정식 교수)

국립부경대학교 조계용 교수(공업화학전공) 연구팀은 전기차 등에 사용되는 리튬 이온 이차전지의 ‘열 폭주’를 억제하는 분리막을 개발했다고 밝혔다.

국립부경대 조계용 교수, 박재원 석사과정 연구원, 권영제 박사과정생, 인천대 윤정식 교수(에너지화학공학과) 등으로 구성된 연구팀은 리튬 이온 배터리의 열적 안정성을 향상하고 자기 소화능력 도입을 통해 화염을 억제하는 분리막을 개발했다.

연구팀은 기능화된 불소계 고분자를 상용 폴리프로필렌 분리막에 코팅하고, 가교반응(사슬 모양 구조의 천연 및 합성 고분자에 새 화학 결합을 만들어 삼차원 그물 구조를 가지게 하는 반응)을 이용해 이 분리막을 개발했다.

최근 탄소 배출량을 줄이기 위해 수소 전지나 리튬 이온 배터리 기반 이동 수단 개발이 진행되고 있지만, 리튬 이온 배터리 기반 전기자동차의 치명적인 단점으로 유기 전해질의 발화에 다른 열 폭주 현상 등 안전에 대한 우려가 제기되고 있다.

조계용 교수 연구팀이 개발한 리튬 이온 이차전지용 분리막은 열적 안정성을 향상한 것은 물론, 자기 소화(消火)능력을 갖춰 이 같은 열 폭주 현상을 억제할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

불소계 고분자 코팅층이 고분자의 가교반응을 통해 고온에서 분리막의 열 수축을 억제해 분리막의 고온 안전 특성을 향상시켰고, 연소 시 분리막의 전해질과 코팅층이 함께 분해되며 부촉매 소화 효과를 통해 배터리 화재가 발생하였을 때 지속적인 발화 현상을 억제하며 자기 소화능력을 보였다.

논문 제1 저자인 박재원 연구원은 “이번 연구로 리튬 이온 배터리의 안전성에 대한 우려를 해소하는 것은 물론, 친환경적인 미래를 위해 리튬 이온 배터리가 더욱 다양한 분야에서 사용될 수 있기를 기대한다.”라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 지자체·대학 협력기반 지역혁신사업(RIS), 산업통상자원부와 연구재단의 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행됐고, 연구 결과를 담은 논문 ‘Fluorine-rich modification of self-extinguishable lithium-ion battery separators using cross-linking networks of chemically functionalized PVDF terpolymers for highly enhanced electrolyte affinity and thermal-mechanical stability’는 국제학술지 <Journal of Materials Chemistry A>(IF 11.9 / JCR 상위 8.8%)에 1월 28일 게재됐고 표지논문으로도 선정됐다. <부경투데이>

△ 기능화된 불소계 고분자 코팅을 통한 분리막의 자기소화 및 내부 단락 억제 모식도.

PKNU prof. Cho Kie-Yong's team developed a separator that suppresses thermal runaway in secondary batteries

- giving new self-extinguishing capabilities by coating separator of a lithium-ion battery with a fluorine-based polymer

- published in the international academic journal <Journal of Materials Chemistry A> and selected as the cover paper

The research team led by professor Cho Kie-Yong (industrial chemistry) at Pukyong National University announced that they had developed a separator that suppresses 'thermal runaway' of lithium-ion secondary batteries used in electric vehicles.

The research team, consisting of professor Cho Kie-Yong, Park Jae-Won, a master's researcher, Kwon Young-Je, a doctoral student at Pukyong National University, and professor Yoon Jeong-Sik from Incheon national university, developed a separator that improves the thermal stability of lithium-ion batteries and suppresses flames by introducing self-extinguishing ability.

The research team attempted to coat a commercial polypropylene separator with a functionalized fluorine-based polymer and developed this separator using a cross-linking (reaction that creates new chemical bonds in chain-like natural and synthetic polymers to form a three-dimensional network structure).

Recently, the development of transportation based on hydrogen cells or lithium-ion batteries has been underway to reduce carbon emissions, but the fatal drawback of electric vehicles manufactured based on lithium-ion batteries is safety concerns such as thermal runaway due to ignition of organic electrolyte.

The separator for lithium-ion secondary batteries developed by professor Cho's research team is expected to suppress such thermal runaway phenomenon by not only improving thermal stability but also having self-extinguishing capabilities.

The fluorine-based polymer coating layer improves the high-temperature safety characteristics of the separator by suppressing thermal shrinkage of the separator at high temperatures through the crosslinking reaction of the polymer. In addition, when burning, the electrolyte and coating layer of the separator decompose together, showing self-extinguishing ability by suppressing continuous ignition in the event of a battery fire through sub catalytic extinguishment.

The first author of the paper researcher, Park Jae-Won, said, "we hope to not only resolve user's concerns about the safety of lithium-ion batteries through our research, but also enable lithium-ion batteries to be used in more diverse fields for an eco-friendly future."

As for this research, it was conducted with support from the Regional innovation project (RIS) based on cooperation between local governments and universities, and the research project supported by the Ministry of trade, industry and energy and the National research foundation and the research, 'Fluorine-rich modification of self-extinguishable lithium-ion battery separators using cross-linking networks of chemically functionalized PVDF terpolymers for highly enhanced electrolyte affinity and thermal-mechanical stability' was published in the internationally renowned journal <Journal of Materials Chemistry A> (IF 11.9 / JCR top 8.8%) on January 28 and was also selected as the cover paper. <Pukyong Today>