[배터:Reader] 너와 나의 연결고리, 배터리 바인더(Binder) 읽기

[배터:Reader] 너와 나의 연결고리, 배터리 바인더(Binder) 읽기

대학생신재생에너지기자단 26기 류호용

배터리 전극 다시 읽기

[자료 1. 배터리 전극]

출처 :  ⓒ 26기 류호용 ChatGPT생성

우리가 흔히 쓰는 배터리, 그 성능은 전극(Electrode)의 성능에 좌우되며 이제는 전해질(Electrolyte)로도 확장되고 있다. 배터리 전극은 양극과 음극 등 전압(Voltage)의 높낮이에 따라 구분되며 현재 전기차(EV)부터 ESS, 최근에는 로봇으로도 확장되는 추세이다.

한 번이라도 이 시리즈를 읽거나 배터리에 관심 있는 독자라면 LFP, NCM부터 흑연, 실리콘 등 다양한 전극 소재에 대해 들어봤을 것이다. 그중에서 흑연만 생각하더라도 흑연은 고체(Solid)이다. 그리고 이러한 소재들이 원활하게 전기에너지를 주고받기 위해 전극은 집전체(current collector)에 접합해서 사용한다.

그렇다면 한번 생각해 볼 수 있다. '고체와 고체끼리 어떻게 접합하는가?' 그리고 '고체를 어떻게 단단히 고정하는가?'

이러한 질문에 대한 해답이 바로 오늘 소개할 바인더(Binder)이다. 바인더라는 물질을 통해 우리는 전극을 구성하는 활물질(LFP, NCM, 흑연, 실리콘)과 자체의 전기전도도(Electric conductivity)를 보완하기 위한 도전재(Conducting Agent)를 서로 연결한다. 이번 기사를 통해 이 작은 함량의 바인더를 다루면서 동시에 환경문제를 받아들인 바인더의 연구 동향에 대해 소개하고자 한다.    

기초부터 제대로 읽어보기

[자료 2. PVDF 고분자 구조]

출처 : Research Gate

현재 가장 많이 쓰이는 바인더는 바로 PTFE(Polytetrafluoroethylene)과 PVDF(Polyvinylindene fluoride)등 불소계 유기바인더이다. 그중에서 이차전지의 태동(太動)을 함께한 PVDF는 1990년대, Sony사에서 상업용 이차전지 제품을 생산할 때 분말(Powder)의 접착을 떠나 전극 자체의 안정성과 전기화학적 수명을 높이는 최선의 선택으로 이를 선택했다.

PVDF가 선택된 이유에는 자체의 화학적 안정성과 불소계 고분자로서 C-F 결합의 강한 결합 에너지로부터 전기화학적 창(Electrochemical Window)이 넓어 산화안정성이 충분하기 때문이다. 그러나 PVDF를 포함한 활물질(Active material)과 도전재 또한 모두 분말 형태 고체상이기에 3가지 성분을 균일하게 섞기 위해선 액체상 용매(Solvent)가 절실했다. 이 과정에서 유기용매에 속하는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)를 활용해야 한다.

NMP라는 용매 안에서 3가지 성분이 원활히 섞인 뒤, 용매를 제거한 후 PVDF고분자 사슬이 입자를 감싸는 네트워크를 감싸 고체상의 응집력을 높이는 원리로 이뤄진다. 이때 어떠한 화학반응도 없이 '반데르발스 힘(Van der Waals force)'과 더불어 C-F결합을 통한 '쌍극자-쌍극자 상호작용(Dipole–dipole interaction)' 등을 통해 물리적 접착을 이뤄낸다. 나아가 PVDF 자체의 경우 PEO, PAN 등 고분자에 비해 결정성이 높은 고분자로서 고온건조 뒤 고분자 사슬(Segmant)이 다시 결정영역을 이루는 과정에서 입자를 더 조여 고정하는 효과 등으로 AM-CA-B 간 접착을 높인다.

[자료 3. 미국 LG공장 화학물질 누출경위]

출처 : TRULAW

이 용매의 경우 친환경적이지 않은 용매로써 많은 위험 요소가 존재하는 물질로 알려져 있으며, 발암과 불임을 일으킬 위험이 크기에 공정에서도 매우 주의하는 요소이다. 실제로 2025년 9월 6일, 미국 미시간주에 위치한 LG에너지솔루션공정에서 NMP를 포함한 산업용 용제가 누출되어 응급대응(HazMat)이 발령되어 약 15명의 작업자가 주의받은 이력이 있다.

[자료 4. 이차전지 공정 비교]

출처 : lgensol

현재의 공정에서는 3가지 분말과 NMP를 섞은 후 집전체에 캐스팅(Casting, 코팅(coating)과 동일)하고 난 뒤 100℃ 이상 온도에서 장시간 진공건조시켜 용매를 날리는 습식공정(Wet-Process)이 채택되고 있다. 이러한 현재의 방식은 NMP의 위험성과 더불어 비용 상승, 에너지사용량 증가가 우려되기에 대체하기 위한 건식공정(Dry-Process)으로의 시도가 이뤄지고 있다고 봐도 과언이 아니다.

친환경을 쓰면 되지 않나?

이외에도 NMP를 활용하지 않기 위해 바인더 자체를 바꾸는 선택으로 수계형(Water-soluble) 바인더가 대안으로 떠오르기도 한다. 더욱이 바인더를 통해 배터리 전극을 만드는 공정에서 환경규제를 피할 수 없다. PVDF, PTFE 등 고분자 자체가 불소계이기에 2023년부터 EU에서 발의된 PFAS(Per-and polyfluoroalkyl substance)에 의해 기존 바인더의 사용이 제한되고, 수계 바인더의 사용이 부상한 계기가 됐다.

[자료 5. CMC고분자]

출처 : mdpi

수계 바인더의 종류로는 CMC(Carboxymethyl cellulose)가 있다. Backbone을 보면 셀룰로오스(Cellulose)를 발견할 수 있다. 기존 셀룰로오스는 -OH기가 많고 결정성이 높아 물이 침투할 공간이 거의 없으나 CMC는 -OH기가 carboxymethyl기로 치환됨에 따라 수용성을 갖출 수 있다. 구체적으로 물 분자 내, 수소(H+)와 바인더 내 –COO⁻ 간 Ion-Dipole interaction이 발생하여 물 분자가 –COO⁻를 감싸 hydration shell을 형성해 물이 잘 침투할 수 있게 된다. 또한 고분자 내 Na+이온은 salt로써 수화 효과를 강화는 역할을 한다. CMC는 특히 음극 중 흑연과 Si가 화학적 상호작용이 안정하다는 장점이 있다.

그러나 CMC자체는 취성(Brittle)이 강하고, Si의 경우, 충·방전에 의한 팽창과 수축을 반복하면 바인더 성분이 분리되는 탈착 현상이 발생할 수 있다. 따라서 이를 보완해 줄 소재로 SBR(Styrene-butadiene rubber)을 함께 사용한다. 자체가 고무(rubber)한 소재로서 신축성이 우수해 앞서 지적한 팽창 문제를 해결할 수 있다. 그러나 SBR은 바인더로 보기엔 화학적 결합을 이룰 수단이 적어 접착력이 약하고 기계적 강도가 약하다. 

[자료 6. 바인더 contact type 비교]

출처 : lgensol

이러한 CMC와 SBR, 각각의 단점을 보완하여 최종적으로 수계 바인더는 SBR/CMC를 혼합한 형태로 활용한다. 이러한 혼합을 통해 친환경 공정을 이룰 수 있고, 비용 절감을 이룰 수 있다. 더욱이 수계 바인더는 공정 간 건조하는데 시간과 에너지를 종합적으로 절약할 수 있다. 더욱이 수계 바인더는 불소계 바인더의 물리적 접착이 아닌 화학적 접착을 활용한다. 따라서 PVDF와 같은 물리적 접착은 계면을 감싸는 형태의 선형 접촉(Line-contact type)으로 불리고, SBR/CMC는 화학적 부분(Point)으로부터 결합하기에 점형 결합(Point-contact type)으로 구분하기도 한다.

업그레이드 살펴보기

무엇보다도 배터리를 사용하는 입장에서는 자체의 용량이 높아야 한다. 흔히 전기차를 사용하려면 적어도 기존 내연기관과 맞먹는 주행거리(km)가 나와야 하기에, 배터리 공정에서는 활물질과 도전재, 그리고 바인더로 전극을 만드는 입장에서 핵심 성분인 활물질의 비용을 높여야 할 것이다. 현재 배터리 연구계에서는 AM:CA:B를 8:1:1로 가져가는 것이 일반적이며, 산업계에서는 9.8:0.1:0.1등 극한으로 비율을 줄여내고 있다.

그러나 도전재의 경우 super P, CNT 등을 사용하는 입장에서 전기전도성을 높이는 역할을 하지만, 반대로 바인더와 호환되지 않으면 함량에 따라 적을 경우 전극 저항 증가가 EIS분석에서 확인될 수 있고 많을 경우 앞서 언급한 최종적 주행거리, 즉 에너지밀도(Energy Density)가 감소하는 결과를 일으킨다.

[자료 7. PSS:PEDOT 바인더 구조]

출처 : nagase

이러한 불편함에서 비롯된 것이 바인더와 도전재를 합치는 것이다. 즉 바인더가 전도성을 띄게 하는 방향이 제시되고 있다. 이에 해당하는 바인더를 전도성 바인더(Conductive Binder)이다. 그중에서도 대표적으로 PEDOT:PSS를 활용하고자 한다. 이는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))과 PSS(polystyrene sulfonate)가 융합된 형태이다. 먼저 PEDOT의 경우 π-conjugated backbone에 따른 전도성 고분자로 공액구조에 따른 전자 이동이 가능하다. 더욱이 PSS를 backbone에 추가함에 따라 수계 공정으로 활용이 가능하며 PSS가 PEDOT에서 전자를 추출해 dication(cation & anion)으로 분리되면 전자흐름이 가능한 메커니즘으로 바인더와 도전재 역할을 동시에 수행해 낼 수 있다. 이를 통해 연속적인 conductive matrix를 구현해 낼 수 있으나 아직 상용하기엔 고전압대(~4.3V)에서 안정성이 지적되고 비용적 측면이 단점으로 부상하고 있다.

작은 것에서 시작한 앞으로의 동향

종합적으로 살펴보면 도전재, 바인더를 쓰지 않고 활물질로 전극을 만들 수 있으면 좋겠으나, 현실은 그렇지 않다. 어쩔 수 없이 사용하는 이 물질은 처음엔 단순한 접착, 결합으로 시작했으나 시간이 흘러 환경 문제를 제시하고, 이후에 들어 환경오염을 막고 동시에 거의 함량을 줄이는 최고 성능으로 점점 개발되고 있다.

우리가 바인더에서 살펴볼 수 있는 것은 단순 함량을 줄이는 등의 극한성능으로 귀결되는 것이 아닌 앞으로의 제조 공정이 나아가야 할 방향에 대해서도 근본적인 화두를 던진다 . 습식에서 건식공정으로 변화할 키(Key) 포인트가 어쩌면 바인더에 있을지도 모른다. 건식공정을 통해 후막(Thick)한 전극을 만들어 낼 수 있을 때 우리는 배터리 업계에서 하나의 큰 숙제를 완전히 해결할지도 모른다. 남겨진 과제는 많지만, 해결될 가능성을 믿어본다.

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1. "[배터:Reaer] 떠나간 우리 자존심은 어디에, 하이니켈 읽기", 26기 류호용, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4795

2. "[배터:Reader] 바다의 진리를 넘는 에너지, 해수배터리 읽기", 26기 류호용, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4847

참고문헌 

[기초부터 제대로 읽어보기] 

1) TruLaw, "LG Energy Solutions Chemical Spill Lawsuit Investigation", 2025.09.06, https://trulaw.com/lg-energy-solutions-chemical-spill-lawsuit 

[업그레이드 살펴보기] 

1) Concdutive Coatings Benatron, "What is PEDOT:PSS", 2024.10.14, https://group.nagase.com/nagasechemtex/denatron/en/museum/whats-denatron/20241014/