리튬이온전지의 친환경 재료 연구 = Research on Eco-Friendly Materials for Lithium-Ion Batteries

국문 초록 (Abstract)

리튬이온전지의 친환경 재료 연구 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 장수명, 우수한 에너지 효율을 바탕으로 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS) 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 그러나 전극 제조 과정에서 사용되는 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용매, 불소계 바인더 등은 인체 독성과 환경 오염 등의 문제를 가지고 있다. 따라서 안전하고 친환경적인 대체 물질　및 기술 개발의 필요성에 대한 요구가 점차 커지는 상황이다. 본 연구에서는 리튬이온전지 제조 공정의 전 주기를 대상으로, 용매/바인더의 친환경 대체 기술을 종합적으로 탐구하였다.
첫째, 독성 유기용매인 NMP를 친환경적인 감마-발레로락톤(γ -valerolactone, GVL) 과 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)로 대체하였다. 대체된 용매로 LiFePO4(LFP) 양극을 제조하여, 전극 표면 미세 구조, 열적 안정성, 전기화학적 성능을 비교해 본 결과, GVL 기반 전극은 NMP 대비 유사한 미세구조와 열적 안정성을 유지하면서도, 충·방전 용량 및 Li+ 확산 특성이 향상됨을 보였다. 이로써 GVL 용매가 친환경적 잠재력을 보유하고 있는 대체 용매임을 확인하였다.
둘째, 천연 다당류인 덱스트린(Dextrin)과 붕산(Boric Acid)을 이용해 수계 바인더를 합성하고, 황(Ketjen black–S 복합체) 기반 전극에 적용하였다. 합성된 수계 바인더는 가교 구조 형성을 통해 우수한 결착력과 전극 균열 억제 효과를 보였고, 폴리설파이드 셔틀 현상 억제를 통해 충·방전 효율 및 수명 특성이 향상되는 결과를 가져왔다. 이로써, 본 연구는 유해 용매 및 불소계 고분자 사용을 최소화하면서도 전지의 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 입증하였다.
따라서 본 연구에서는 GVL/DMSO 기반 슬러리와, DX-BA 수계 바인더를 적용하여 리튬이온전지의 지속가능한 친환경 소재로서의 가능성을 규명 하고, 이러한 결과는 향후 관련 분야의 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lithium-ion batteries (LIBs) are core technologies in electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESS) because of their high energy density, long cycle life, and excellent energy efficiency. However, conventional electrode fabrication relies on N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvents and fluorinated binders, which cause toxicity and environmental pollution. Thus, developing environmentally benign and safe alternatives is essential.
This study comprehensively investigates eco-friendly replacement technologies for solvents and binders across the LIB manufacturing process. First, the toxic solvent NMP is replaced with γ-valerolactone (GVL) and dimethyl sulfoxide (DMSO) to fabricate LiFePO4 (LFP) cathodes. The GVL-based electrode exhibits morphology and thermal stability comparable to NMP-based electrodes while achieving higher discharge capacity and Li+ diffusivity, confirming its potential as a sustainable high-performance solvent.
Second, an aqueous binder synthesized from natural polysaccharide dextrin (DX) and boric acid (H3BO3) is applied to sulfur cathodes using a Ketjen black–sulfur (KB/S) composite. The DX–BA binder provides strong interparticle adhesion and suppresses polysulfide shuttle reactions through a borate cross-linked network, enhancing Coulombic efficiency and cycling stability.
Therefore, minimizing the use of toxic solvents and fluorinated polymers maintains both battery performance and durability. The use of GVL/DMSO-based slurries and DX–BA aqueous binders offers valuable insight into sustainable and eco-friendly manufacturing of lithium-ion batteries.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 3
• 제1절 리튬이온전지 3
• 1. 리튬이온전지의 발전과 환경 문제 3
• 2. NMP 사용의 한계 및 환경 규제 5
• 3. 친환경 제조 공정의 필요성 7
• 제3장 NMP 대체 친환경 용매 실험 9
• 제1절 실험방법 9
• 1. 친환경 용매 선정 9
• 2. 전극 제조 13
• 제2절 실험결과 14
• 1. 친환경 용매 전극 물성 분석 14
• 2. 친환경 용매 전지 전기화학적 특성 분석 25
• 제3절 결론 33
• 제4장 수계 바인더 실험 35
• 제1절 실험방법 35
• 1. Ketjen black, 황 복합체 제조 35
• 2. 수계 바인더 용매 제조 37
• 3. 전극 제조 38
• 제2절 실험결과 39
• 1. 수계 바인더 물성 분석 39
• 2. 수계 바인더 전극 전지 전기화학적 특성 분석 52
• 제3절 결론 69
• 제5장 결론 71
• 참고문헌 74
• ABSTRACT 87
• 감사의 말 89