나노셀룰로스(CNF)의 차세대 배터리 분리막 혁신

나노셀룰로스(CNF)의 차세대 배터리 분리막 혁신

대학생신재생에너지기자단 21기 한세민

 

산림에서 찾은 소재의 해답 

전기차와 에너지 저장 시스템의 성장은 지속 가능한 발전을 위한 핵심 과제이다. 현재 여러 기업에서 배터리 성능 향상과 동시에 환경친화적인 소재 개발을 해가고 있는 흐름 속 주목을 받는 소재가 있다. 바로 나노셀룰로스이다. 나무와 같은 천연자원에서 얻을 수 있는 나노셀룰로스는 경량, 고강도, 친환경성을 겸비한 혁신적인 소재로, 기존 화학 기반 배터리 분리막의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 열어주고 있다. 여러 연구에서는 나노셀룰로스를 활용해 고열 안정성과 전해질 친화성을 강화한 리튬이온 배터리 분리막이 개발되었으며, 상업적 적용 가능성이 점차 확대되고 있다고 한다.

이번 기사에서 나노셀룰로스의 독특한 특성과 이를 활용한 배터리 기술의 발전 방향을 살펴보고, 이러한 기술이 미래 에너지 산업에 가져올 변화를 조명해 보고자 한다.

 

나노셀룰로스(CNF)란?

[자료 1. 나노셀룰로스]

출처 : KIPOST 

CNF(Cellulose Nabo Fiber)라고도 불리는 나노셀룰로스는 식물에서 추출한 미세 구조로, 나노 크기의 섬유질로 이루어져 있다. 이 소재는 높은 기계적 강도와 열 안정성을 갖추고 있으며, 가벼운 무게와 생분해성이 특징이다. 이러한 특성은 기존의 폴리머 기반 분리막 소재가 가진 고온 안정성 부족과 환경 유해성을 극복할 수 있는 대안으로 주목받게 했다.
특히, 나노셀룰로스 기반 분리막은 배터리 내부에서 전극 간의 전기적 단락을 방지하고, 전해질 흡수율을 높임으로써 이온 전도성을 향상할 수 있다. 이는 리튬이온 배터리 성능을 향상하는 데 중요한 역할을 한다.

 

나노셀룰로스를 활용한 연구개발

이러한 나노셀룰로스의 특성에 따라 이를 활용한 다양한 배터리 분리막 설계가 여러 연구에서 이뤄지고 있다. 대표적으로 펄프에서 추출한 나노셀룰로오스를 이용한 다공성 분리막이 개발되었으며, 이는 140℃ 이상의 고온에서도 구조적 안정성을 유지하는 특성을 보였다​. 또한, 이러한 분리막은 기존 폴리에틸렌(PE) 분리막에 비해 전해질 흡수성이 뛰어나며, 코인형 리튬이온 배터리에 적용했을 때 더 긴 수명과 안정적인 용량 유지율을 보인다.

전기방사법과 같은 제조 기술도 주목받고 있다. 전기방사법은 전기장을 활용하여 고분자 용액이나 용융체를 나노섬유 형태로 가공하는 제조 기술이다. 고전압을 이용해 액체 상태의 용액을 미세한 섬유로 방출시키며, 이 과정에서 섬유는 수십 나노미터에서 수 마이크로미터 크기의 직경을 가지는 얇은 섬유로 만들어진다. 이렇게 전기방사를 통해 제작된 나노셀룰로오스 분리막은 고출력 및 고효율 특성을 제공하며, 다양한 기능성 첨가제를 적용해 전도성과 항균성을 강화할 수 있게 된다​.

 

배터리 분리막에서 인기, 나노셀룰로스

국내외 산업계에서도 모두 나노셀룰로스를 활용한 기술 상용화에 박차를 가하고 있다.

LG전자는 나노셀룰로스를 활용해 배터리 분리막 코팅 기술을 개발 중이다. 나노셀룰로스의 고온 안정성과 전해질 흡수율 향상 특성을 활용해 리튬이온 배터리의 안전성과 성능을 강화하는 데 중점을 두고 있다. 하지만 나노셀룰로스가 코팅재로 쓰이기 위해서는 표면 개질을 변화시키는 추가적인 가공 작업이 필요한데, 아직 국내 업체 가운데 이를 기술적으로 구현할 만한 업체들이 없어 상업적 응용 가능성을 높이며 역량을 갖추고 있는 단계라고 볼 수 있다. 이와 함께 나노셀룰로스의 가격 경쟁력을 높이고 대량 생산 가능성을 확보하기 위한 연구도 진행 중이다.

핀란드의 목재 및 바이오소재 회사 Stora Enso는 나노셀룰로스를 사용해 지속 가능하고 친환경적인 배터리 분리막 개발에 성공했다. 이 회사는 나무에서 얻은 나노셀룰로스를 사용해 기존 플라스틱 기반 분리막을 대체할 수 있는 제품을 만들고 있으며, 특히 에너지 저장 시스템과 소형 전자기기 배터리에 적용이 가능하다.
일본의 Nippon Paper Group은 고품질 나노셀룰로스를 사용해 리튬금속 배터리와 전고체 배터리 분리막으로의 적용 가능성을 연구하고 있다. 이 소재는 리튬 이온의 이동성을 개선하고 배터리 효율을 극대화하면서도 자연 분해 가능한 친환경 소재로 주목받고 있다.

스웨덴의 CelluComp와 같은 스타트업에서도 나노셀룰로스를 활용해 차세대 배터리 소재를 개발 중이며, 재생 가능한 소재로 고성능 배터리를 구현하는 것을 목표로 하고 있다.

전문가들은 나노셀룰로스 소재(CNF)가 전기차 배터리, 에너지 저장 시스템 등 차세대 에너지 기술에서 중요한 역할을 할 것으로 전망한다. 무엇보다 환경친화적이라는 소재의 특성 덕분에 지속 가능한 기술로 자리 잡을 가능성 또한 높다. 현재까지는 상용화를 위해 나아가고 있는 단계이지만, 매력적인 나노셀룰로스의 소재적 특성은 머지않아 우리 생활 속에 없어서는 안될 중요한 역할을 할 것이라고 기대해 본다.

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나노셀룰로스에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "멍게, 이제는 센서에 양보하세요", 21기 길민석, https://renewableenergyfollowers.org/4353

멍게, 이제는 센서에 양보하세요

 

2. "자연에서 발견한 배터리의 해답", 22기 정의희, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3924

자연에서 발견한 배터리의 해답

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참고문헌

나노셀룰로스(CNF)란?

1) 산림청 임산소재연구과, “나노셀룰로오스를 이용한 첨단 신소재 개발-리튬이온전지”, 2023.08.04., https://www.korea.kr/archive/expDocView.do?docId=40610

2) 조현우. "Cellulose nanofibrils derived from pulp as a high-performance separator for lithium-ion batteries." 국내박사학위논문 한밭대학교 대학원, 2023. https://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=672aca45725ee65affe0bdc3ef48d419&outLink=K

나노셀룰로스를 활용한 연구개발

1) 송정은, "LG전자, 배터리 분리막 코팅 소재로 CNF 검토”, KIPOST, 2021.07.15., https://www.kipost.net/news/articleView.html?idxno=209161

배터리 분리막에서 인기, 나노셀룰로스

1) 김태헌, “나노섬유 분리막의 최근 연구개발동향”, Membrane journal, 2012.12.27., https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201219655748560