성균관대 김기재 교수-서울대 최장욱 교수 연구팀 공동 개발
스판덱스 기반 새로운 ‘하이브리드 고분자 바인더’ 개발 성공
기존 배터리 수명 2배 이상 향상…대량 생산·상용화 기대감
▲성균관대 김기재 교수, 서울대 최장욱 교수, 성균관대 박보근 연구원(왼쪽부터). 사진=성균관대
성균관대학교와 서울대학교 공동 연구팀이 전기차와 스마트폰의 배터리 용량을 늘리기 위해 전극을 두껍게 만들 때 발생하는 고질적인 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 신소재 기술을 개발했다.
성균관대학교는 에너지과학과 및 미래에너지공학과 김기재 교수 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 리튬 이온 배터리의 에너지를 획기적으로 높이면서도 수명을 늘릴 수 있는 고성능 후막 전극용 '하이브리드 고분자 바인더'를 개발했다고 27일 밝혔다.
최근 배터리 학계와 산업계에서는 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 배터리 내부의 핵심 부품인 전극에 니켈 성분이 많은 고용량 양극 소재를 더 많이, 더 두껍게 쌓는 '고 로딩(High Loading) 전극' 기술을 활발히 연구하고 있다.
그러나 기존에 쓰이던 'PVDF 바인더' 소재는 두꺼운 전극 제조시 건조 과정에서 바인더가 위로 떠오르거나 전극이 쉽게 갈라지고 부서지는 치명적인 약점이 있었다. 이 때문에 배터리 전극의 기계적 강도 악화 및 리튬이온 전도도 약화로 배터리 수명이 급격히 줄어들었다. PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드) 바인더는 배터리 내에서 전극을 구성하는 물질들을 서로 붙여주고 전극을 알루미늄·구리 박막 등 집전체에 단단히 고정하는 접착제(바인더) 역할을 하는 고분자 소재를 말한다.
김기재 교수 공동 연구팀은 우리에게 친숙한 신축성 좋은 옷감인 '스판덱스'와 '폴리아크릴산'이라는 두 가지 전혀 다른 성질의 고분자를 복합화해 새로운 형태의 '듀얼 액팅 하이브리드 고분자(DHP)' 바인더로 전극에 적용했다.
이 새로운 바인더는 스판덱스의 우수한 신축성 및 폴리아크릴산의 전극 내부 물질과의 우수한 상호작용 덕분에 두꺼운 전극을 만들어도 전혀 갈라지거나 부서지지 않는 단단한 구조를 유지하게 돕는다.
실험 결과, 연구팀이 개발한 바인더를 사용한 전극은 기존 PVDF 바인더보다 무려 2배 가까이 강한 접착력을 나타냈다.
또한 이 신소재 바인더를 적용해 실제 산업 현장에 쓰이는 대용량 '파우치형 배터리 셀'을 제작해 검증한 결과, 기존 바인더를 사용한 배터리는 충·방전 약 95회만에 용량이 급격히 떨어진 반면, 연구팀이 개발한 하이브리드 바인더를 적용한 배터리는 200회가 넘는 충·방전 반복 후에도 초기 용량의 86.8%를 안정적으로 유지하며 수명이 2배 이상 향상되는 우수한 성능을 입증했다.
김기재 교수는 “그동안 전극을 두껍고 크게 만들 때 바인더 및 공정상 문제로 배터리의 성능이 제한되는 한계가 있었는데, 스판덱스와 폴리아크릴산의 장점을 효율적으로 결합해 이를 극복했다"며 “이 기술이 차세대 전기차의 주행거리 향상에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 '리튬메탈음극 범용적 활용을 위한 모듈형 LEA(Lithium Electrode Assembly) 핵심기술 개발' 및 '한계돌파형 차세대 이차전지 산업수요 대응을 위한 미래선도 인재 양성' 연구과제를 통해 수행됐다.
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