전기차, 빨리 충전하고 오래 달린다…포스텍, 천연 고분자 바인더 개발

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포스텍(총장 김무환)은 박수진 화학과 교수팀과 울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈) 유자형 교수팀이 공동연구를 통해 '상온에서 가교가 가능한 천연 고분자 바인더'를 개발했다고 6일 밝혔다. 고속충전이 가능한 대용량 이차전지 개발의 단초가 될 전망이다.

전기자동차는 배터리 용량이 장거리를 달리기엔 부족하고 충전 속도가 늦다는 단점이 있다. 이를 해결할 소재로 최근 실리콘이 주목받고 있다.

상온에서 가교 가능한 천연 고분바 바인더를 개발한 박수진 포스텍 화학과 교수(왼쪽)와 논문 제1저자인 류재건 박사.
<상온에서 가교 가능한 천연 고분바 바인더를 개발한 박수진 포스텍 화학과 교수(왼쪽)와 논문 제1저자인 류재건 박사.>

하지만 실리콘은 전기 전도도가 낮고 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창해 물질 간 연결이 잘 깨진다는 문제가 있다. 또 가교를 위해서는 100℃ 이상 고온 열처리가 필요했다.

연구팀은 실리콘 전극의 구조적 안정성을 높이고 동시에 이온 전도도 향상을 위해 천연 고분자와 결합 가능한 붕산과 폴리에틸렌옥사이드 기반 다기능성 가교제 개발에 성공했다.

이번에 개발된 가교제는 전체 전극 1% 중량만으로 천연 고분자와 가교를 통해 실리콘 전극 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 갖는다는 것을 확인했다.

새롭게 개발된 다기능성 가교제를 활용하면 전체 전극의 약 1% 첨가만으로 실리콘 전극 전기화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있고, 기존 고성능 고분자 바인더에서 쓰이는 복잡한 공정을 간소화할 수 있다.

다기능 가교제를 통해 구성된 실리콘 전극의 모식도
<다기능 가교제를 통해 구성된 실리콘 전극의 모식도>

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 대용량 이차전지를 필요로 하는 전기자동차 산업에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

한국연구재단 중견연구자지원사업 일환으로 수행된 이번 연구 결과는 최근 학술지 '어드밴스드 펑서널 머터리얼즈'에 게재됐다.

포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com