성균관대학교는 김기재 에너지과학과 및 미래에너지공학과 교수 연구팀이 최장욱 서울대 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 '하이브리드 고분자 바인더'를 개발했다고 27일 밝혔다.
배터리 학계와 산업계는 배터리 내부의 핵심 부품인 전극에 니켈 성분이 많은 고용량 양극 소재(Ni-rich layered cathode)를 더 많이, 더 두껍게 쌓는 '고로딩 전극' 기술을 활발히 연구하고 있다. 기존에 쓰이던 PVDF 바인더 소재는 두꺼운 전극 제조 시 건조 과정에서 바인더가 위로 떠오르거나 전극이 쉽게 갈라지고 부서지는 치명적인 약점이 있었다.
김 교수 공동 연구팀은 우리가 흔히 입는 신축성 좋은 옷감인 '스판덱스(SPDX)'와 '폴리아크릴산(PAA)'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 가까운 강한 접착력을 나타냈다. 초기 충·방전 과정에서 리튬 이온의 이동을 촉진하는 'Li-PAA 인터페이스'를 자발적으로 형성해 전극 내부에서 리튬 이온이 더욱 빠르고 균일하게 이동하도록 함으로써 후막 전극의 전기화학적 성능을 향상하는 새로운 작동 메커니즘을 확인했다.
연구팀은 신소재 바인더를 적용해 실제 산업에서 쓰이는 형태인 대용량 '파우치형 배터리 셀'을 제작해 검증을 진행했다. 기존 바인더를 사용한 배터리는 약 95회 만에 수명이 다해 용량이 급격히 떨어졌지만, 연구팀이 개발한 하이브리드 바인더를 적용한 배터리는 200회가 넘는 충·방전 반복 후에도 초기 용량의 86.8%를 안정적으로 유지하며 수명이 2배 이상 향상됐다.
김기재 교수는 “이번에 개발한 바인더 기술은 최근 차세대 배터리 제조 기술로 주목받는 건식 공정을 도입하지 않고도 기존 습식 생산 공정을 그대로 활용할 수 있어 산업 적용성이 높다”며 “차세대 전기차의 주행거리 향상에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다”고 전했다.
본 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.
조호현 기자 hohyun@etnews.com