세계적으로 전기차 시장이 커지면서 리튬이온전지의 고용량과 빠른 충·방전을 위해서는 고전압 조건을 충족시켜야 한다는 지적이 나온다. 이를 위해 효과적인 활물질 개발을 위한 연구가 활발하다. 하지만 전극의 다른 핵심 소재 중 하나인 고분자 바인더 개발은 상대적으로 지지부진하다. 그동안 많이 사용되고 있던 PVDF와 같은 바인더를 적용하면 분산성 저하와 낮은 접착성 등 여러 문제가 따르기 때문이다.
이에 따라 균일한 전자이온 전도 네트워크를 형성하거나 전극 활성층과 전극 집전체 사이의 충분한 접착력을 유지하기 위해 새로운 기능성 바인더 소재 개발의 필요성이 제기된다.
고려대학교 화공생명공학과 방준하 교수팀은 연세대 화공생명공학과 이상영 교수팀 등과 함께 고에너지 리튬이온전지 개발의 핵심이 되는 양친성 병솔형 고분자 기반의 고용량 양극재용 바인더를 개발했다고 1일 밝혔다. 이 기술은 양친성 병솔형 고분자 전극에서 효과적으로 분산돼 충·방전 시 쉽게 분해되지 않아 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 특징이 있다.
연구팀은 양친성을 가진 병솔형 구조의 고분자를 신규 바인더 소재로 디자인해 기존 양극재 고분자 바인더가 가지고 있는 문제점을 해결했다. 주사슬과 곁사슬을 양친성으로 구성해 전해액으로 인해 발생되는 부피 팽창을 최소화하고, 알루미늄 집전체와의 수소결합에 따라 강한 접착력을 보이는 것을 확인했다. 균일한 전자이온 전도 네트워크를 형성해 전기화학적·물리적으로 뛰어난 성능을 보이는 양극재 바인더를 개발한 것이다.
연구팀은 양친성 병솔형 고분자 바인더를 이용해 1wt%의 매우 적은 함량으로도 27mg cm-2 areal mass loading, 5.2 mAh cm-2 areal capacity의 대용량 전극을 제작했다. 반복적인 충·방전 시에도 안정적으로 성능이 유지되는 것을 확인했다.
방 교수는 “고에너지 밀도의 리튬이온 전지 개발이 더욱 활발히 이뤄질 것”이라며 “전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 관련 산업의 발전을 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다. 이번 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스트 어네지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 실렸다. 이번 연구에는 문준수(제1저자·고대)·김낙영(제1저자·연대)·류명화(연대)·김승혁(UNIST)·김정희(UNIST) 연구원이 참여했고 방 교수 외에 이상영 연대 교수, 김주명 UNIST 박사후 과정 연구원이 각각 교신 저자로 이름을 올렸다.
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