고용량·고속충전 배터리용 ‘천연 고분자 바인더’ 개발

포스텍(총장 김무환)은 화학과 박수진 교수팀과 UNIST 유자형 교수팀이 공동연구를 통해 고용량, 고속충전 배터리용 ´천연 고분자 바인더’를 개발했다고 지난달 6일 밝혔다.
‘친환경 자동차’로 꼽히는 전기차가 아직 크게 주목을 받지 못하는 것은, 배터리의 용량이 아직 장거리를 달리기엔 부족하고, 충전속도가 늦기 때문이다. 이 문제를 해결할 소재 중 하나로 ‘실리콘’이 꼽힌다. 기존 음극 소재인 흑연보다 10배 이상 용량이 크지만, 반면 전기전도도가 낮고 충전과 방전이 일어날 때 물질과 물질의 연결이 깨지기 쉽다는 단점 때문에 아직까지 실용화에는 이르지 못했다. 이를 해결하기 위한 것이 바로, ‘바인더’다. 음극 소재를 용매에 분산시키고, 극판에 접착시키는 역할을 한다.
실리콘은 배터리의 용량과 충전 속도를 높일 수 있다는 장점이 있지만, 전기 전도도가 낮고, 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창해 물질 간 연결이 잘 깨진다는 문제가 있었다. 또 가교를 위해서는 100℃ 이상 고온의 열처리가 필요했다. 공동연구팀은 실리콘 전극의 구조적 안정성을 높이고 동시에 이온 전도도 향상을 위해 천연 고분자와 결합가능한 붕산(boronic acid)과 폴리에틸렌옥사이드(polyethyleneoxide)기반의 다기능성 가교제 개발에 성공했다.
이번에 개발된 가교제는 전체 전극의 1% 중량만으로 천연 고분자와의 가교를 통해 실리콘 전극의 성능을 향상시키고, 수명을 4배 이상 늘릴 수 있다. 뿐만 아니라 상온에서 가교할 수 있어 고온 열처리를 필요로 하는 제조공정을 필요로 하지 않는다. 또 이 물질은 추가로 가교 촉매제를 넣어주지 않아도 충·방전 시 팽창으로 인해 끊어진 연결을 다시 이어주는 자가 치유기능이 있어 강한 접착력을 가지는 것을 확인했다.
논문 1저자인 POSTECH 류재건 박사는  “새롭게 개발된 다기능성 가교제를 활용하면 전체 전극의 약 1% 첨가만으로, 실리콘 전극의 전기화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있고, 기존의 고성능 고분자 바인더에서 쓰이는 복잡한 공정을 간소화할 수 있다”고 설명했다.
또, 박수진 교수는 “가교제와 결합된 천연 고분자 바인더는 자가 치유능력, 강한 결합력, 빠른 리튬 이온 전달 특성이 있어 두꺼운 실리콘 전극 제조에도 안정적으로 적용이 됐다”며 “고속충전이 가능한 고용량 이차전지를 필요로 하는 전기 자동차 산업에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.
이 연구 결과는 학술지 ‘어드밴스드 펑서널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다.