건식전극에서 PVDF가 아닌 PTFE 바인더를 사용하는 이유

테슬라 배터리데이에서 소개되어 많은 관심을 받고 있는 건식전극기술은 용매를 사용하지 않아 친환경적이며 경제적이다.건식전극기술을 사용하면 기존 습식공정의 PVDF 바인더에서 PTFE 바인더를 사용하는데 그 이유에 대해서 알아보고자 한다.

 

 

 

1. 기존 습식공정바인더 PVDF (Polyvinylidene fluoride)

기존의 습식공정에서 주로 사용되는 양극바인더는 PVDF(Polyvinylidene fluoride)로 잘 알려져 있다. PVDF는 불소계 고분자로 물리적 화학적 안정성이 뛰어나고, 배터리에서 전기화학적 안정성이 뛰어난 장점이 있다.

PVDF바인더의 LSV분석에 따른 전기화학적안정성 실험결과 (출처 : 전기화학회지, 제 16권, 제 3 호, 2013)

여기서 전기화학적 안정성이란 보통 리튬이온배터리가 3~5V의 전압에서 구동되는데, 이 전압에서 안정하여 분해되지 않는다는 것이다. 전압구간에서 안정하기 때문에 양극을 구성하는 양극활물질(NCM, LCO, LTO, LFP)과 도전재(Supre-P, CNT)가 알루미늄 극판에 잘 붙어 유지시켜주는 특징이 있다. 하지만 건식공정에서는 PVDF 바인더는 용매인 NMP에 녹여 분산시켜야하기 때문에 건식전극으로 사용할 수 없다.

 

 

 

2. PTFE 바인더사용 이유 (Polytetra fluoroethylene)

PTFE는 미국의 Dupont사에 의해 개발되었으며, 우리의 일상생활에서 테플론으로 친숙한 이름으로 자리잡고있는 소재이다. 중합방법은 라디칼중합(radical polymerization)에 의해 합성되고 원자 자체의 탄소-불소인 C-F 결합으로 인해 우수한 내열성, 내구성을 갖고 보유하고 있다. 또한 배터리 소재로서의 필수조건인 전기화학적으로도 우수하여 슈퍼커패시터에도 사용되고있는 소재이다.

 

건식전극은 용매를 사용하지 않는 것이 핵심인 기술이다. PTFE 바인더를 사용하면 용매를 사용하지 않고 전극을 구성하는 소재들을 균일한 형태로 제조할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 이런 무용매 (non-solvent) 시스템이 가능한 이유는 고유의 Fibrillation 이라는 섬유화 특징을 갖고 있기 때문이다.

PTFE 바인더 Fibrillation (출처 : H. A. Ardakani et al.: PTFE Paste Extrusion)

PTFE는 2개의 상전이온도를 갖는다. 상전이온도는 19도와 30도에서 나타나는데, 상전이온도가 일어나는 19도 이상에서 고분자 분말간 응력을 가하면 Fibrillation (섬유화현상)이 발생한다. 이런 현상을 응용하여 산업현장에서 페이스트 압출가공법을 적용하여 양산하고 있다. 이것을 전극제조에 적용을 하면 활물질+도전재+바인더를 용매없이 섞을 시에, PTFE 바인더의 Fibrillation(섬유화)특성이 발현되어 활물질, 도전재, 바인더가 균일하게 섞여 전극으로 제작이 가능하다.

PTFE 전자현미경사진 (출처 : D. Vavlekas et al. / Polymer Testing 61 (2017) 65-73)

 위 사진처럼 섬유화가 일어나 전극을 구성하는 각각의 소재들을 지지 및 지탱할 수 있게 해주는 역할을 한다. 용매를 사용하지 않는 건식전극 공법을 적용가능한 PTFE 바인더가 각광을 받고 있는 만큼, 해당 수준을 능가하는 새로운 바인더들이 계속 개발됬으면 하는 바램이다.