바인더

바인더(Binder)는 2차전지의 전극을 물리적으로 안정화시켜주는 소재로 활물질과 도전재를 집전체에 정착시켜주는 일종의 접착제다.

리튬이온 배터리의 음극재와 양극재 모두 바인더가 필요하고 양극용 바인더, 음극용 바인더가 있으나 국내는 ㈜한솔케미칼이 유일하게 음극바인더를 생산하고 양극바인더는 전부 일본기업 쿠레하(Kureha)로부터 수입했다. 앞으로 국내 켐트로스가 양극바인더에 진출 예정이지만 아직 양산까지는 시작하지 못한 것으로 좀 더 시간이 걸릴 것으로 예상된다. ㈜에스에이티도 바인더를 연구 개발하고 있다. 글로벌 화학 기업 바스프는 2020년 말 고용량 리튬이온 배터리를 위한 신규 양극 바인더 리시티(Licity®)를 출시한 바 있다.

실리콘 음극재의 대중화와 맞물려 바인더의 중요성이 부각되고 있다.

기술 개요

바인더는 전극을 기계적으로 안정화하는 역할을 한다. 집전체에 슬러리를 균일하게 바르게 하며, 충방전이 반복적으로 진행될 때 활물질 또는 도전재 사이의 결합이 느슨해지는 것을 방지한다.

흑연 전극은 리튬이온의 삽입 반응이 진행되면 약 10% 정도 팽창하며, 리튬이온을 흑연에서 탈리시키면 수축한다. 이 과정이 반복되면 입자간 접촉 저항이 증가해 결과적으로 전극의 옴저항(ohmic resistance)이 상승해 전지 특성이 저하된다. 이러한 문제들은 전극의 기계적인 안정성이 저하됨으로써 발생하는데, 적절한 바인더의 사용으로 해결할 수 있다.

활물질과 바인더, 도전재의 관계

 

종류

리튬이온 배터리를 제작하기 위해선 기본적으로 활물질을 집전체에 부착시켜야 한다. 바인더는 용제계 바인더, 수계 바인더로 나뉜다.

최근에는 기존에 사용하던 용제계 바인더인 PVDF 대신, 수계 바인더인 SBR(styrere=butadiene rubber)/CMC(carboxy methyl cellulose)를 사용하기 시작했다. 활물질의 함량을 높이고 바인더의 함량을 줄여야 에너지 밀도를 높일 수 있는데, PVDF는 바인더 함량을 줄이는 데 한계가 있기 때문이다.

​따라서 최소한의 접착만으로 서로 유연하면서도 단단히 묶어줄 수 있고, PVDF계 보다 결착 특성이 우수한 것으로 알려진 SBR/CMC계 바인더가 주목받고 있다.

​양극에는 주로 용제계 바인더인 PVDF, 용매로 NMP를 사용하고, 음극에는 수계 바인더인 CMC/SBR, 용매로는 물을 사용하는 추세이다. 그 외에도 SiO2/graphene 음극에는 PTFE (Polytetrafluoroethylene)를 바인더, 용매로 IPA(Isopropyl Alcohol)을 쓰는 등 각 물질마다 알맞는 바인더와 용매가 존재한다.

참고자료

• 이승배 기자, 〈배터리 소재株, 이젠 '바인더' 차례?〉, 《서울경제》, 2021-07-29
• 윤재현 기자, 〈바스프, 고용량 리튬이온 배터리 위한 신규 양극 바인더 리시티(Licity®) 출시〉, 《사전기신문》, 2020-12-24

같이 보기

• 도전재
• 양극활물질
• 음극활물질

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