1. 바인더와 도전재는 양극과 음극 활물질만큼이나 중요
우리는 지금까지 조금은 덜 중점적으로 다루었던 다른 소재들에 대해서 탐구해보고자 합니다. 그것은 바인더와 도전제인데, 이 두 소재는 양극재와 음극재보다는 투입되는 양도 제조원가 비중도 크지 않지만 배터리의 성능에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 심지어 양극활물질과 음극활물질의 투입 비중을 높일 수 있도록 이 둘의 투입 양은 최소화 하는 것이 핵심 기술이라 해도 과언이 아니겠습니다. 하지만, 전기차 또는 전동화에 따른 리튬이온배터리의 수요 증가에 따라, 단위 투입 비중은 작은 이 두 소재에 대한 시장 규모도 동반 상승할 것으로 예상됩니다. 우선, 바인더는 각 극판의 구조적인 형태를 유지하는데 중요한 역할을 합니다. 1차적으로는 소재의 이름에서 유추할 수 있듯이, 집전체에 활물질과 여러 첨가제들이 섞인 슬러리가 잘 붙어 있게 하는 역할이 바인더의 최우선 목적이라 할 수 있겠습니다. 즉 바인더는 각 전극 재료와 고유하게 상호 작용하여 접착력, 유연성을 통해 전체 배터리 성능에 향상에 영향을 미치는 것입니다. 바인더는 일반적으로 용매에 용해되어 슬러리를 형성하는데, 우리가 앞서 전극공정을 살펴보았던 바와 같이, 이는 배터리 전극을 만드는 데 중요합니다. 그러나 용매를 위한 용제의 선택은 양날의 검이 될 수 있습니다. 왜냐하면, 용제는 매끄러운 코팅을 용이하게 하지만, 용제 증발, 독성 및 환경 영향과 같은 문제로 이어질 수 있기 때문입니다.
2. 바인더의 역할과 특징, 배터리 제조 공정 과정 연계
액체 형태의 슬러리 속에 녹아있는 바인더는 집전체에 코팅된 후 수분 증발의 과정을 거쳐 고체로 변신해야 합니다. 이 과정에 생각보다 예민해서, 고체화 된 후에 전극 무결성을 손상시키거나 결함을 초래하지 않아야 하는바, 드라잉 하는 온도에서부터 경화의 과정에 이르는 습도 등 다양한 외부 환경 조건을 섬세하게 다룰 수 있어야 합니다. 따라서, 바인더를 조제하는 과정에 있어서는 종종 온도의 변화, 기계적 스트레스, 화학적 노출에 따라 전극이 스트레스를 받아 그 성능이 저하될 수 있습니다. 고성능의 바인더라면, 이와 같은 외부환경에서 나타날 수 있는 균열, 팽창 등의 이탈에 극복하는 회복력을 갖습니다. 한편, 바인더는 구조적인 응집력을 보장하는 임무를 맡지만, 바인더 자체는 열화에 영향을 받지 않습니다. 또한, 실제 배터리가 사용되면서 바인더는 내용연수의 경과에 따라 노화를 과정을 거쳐 성능이 저하될 수 있습니다. 역시 고성능 바인더라면, 내구성과 수명에 대한 우수성을 보여주어야 합니다. 또한, 바인더는 사용하고자 하는 배터리의 목적에 맞게 맞춤화가 필요한데, 예를 들어 전기차용 배터리 바인더는 고온 작동과 장시간 사이클링을 견딜 수 있어여 합니다. 이는 여타 다른 배터리 소재에서와 같이, 레시피의 중요성을 엿볼 수 있는 대목입니다. 사실, 더 중요한 건 유명 요리사의 레시피를 알고 있어도, 맛있는 요리를 똑같이 구현할 수 없는 것처럼, 배터리 역시 제조 노하우가 더 중요하다는 사실입니다.
3. 도전제의 역할과 특징, 그리고 종류
도전제 역시 배터리 성능을 좌우하는 중요한 소재입니다. 도전재는 용어에서 엿볼 수 있듯이, 리튬이온 전자의 이동을 돕는 역할을 하기 때문에 충전 속도을 보다 원활하게 해주는 역할이라 할 수 있습니다. 기존에는 카본블랙이라는 파우더 형태의 탄소를 사용했다면, 최근에는 이를 보다 나노 사이즈로 정밀하게 제조한 탄소나노튜브(CNT) 도전제에 개발 적용되고 있습니다. 기존 크기 보다 훨씬 적은 용량이 들어가다 보니, 양극 및 음극의 활물질 용량을 늘릴 수 있어, 배터리 용량과 에너지 밀도를 높여 전지 전체적인 성능을 개선하는 효과를 가져올 수 있습니다. CNT 구조는 탄소를 얇게 잘라, 이를 둥글게 말아서 만든 일종의 그래핀 시트로 이는 기존 카본블랙보다 높은 전기 전도성을 제공하며, 이를 전문용어로 종횡비라 합니다. 바늘과 같은 구조를 가진 CNT는 전자 이동을 위한 직접적이고 효율적인 통로를 제공하며, 고속 충방전에도 기여할 수 있습니다. 둥글게 말아 올린 모양에 따라, 단벽CNT, 다벽CNT 등으로 구분되는데, 현재 가장 많이 채용되는 것은 다벽CNT이며, 단벽CNT로 그 기술이 진화 발전되고 있습니다. 사실, CNT는 전기적 기술 외에도 다양한 추가적인 이점도 주목할 만 한데, 그것은 기계적 강도를 강화하여 전극의 구조적 무결성을 강화할 수 있다는 것입니다. 또한, 높은 표면적과 화학적 안정성은 전극과 전해질의 상호 작용을 개선하고 용량 감소 및 전해질 분해 문제를 완화하는데도 도움을 줄 있습니다.