송승완 교수(충남대학교), 정현민 교수(금오공과대학교) 공동 연구팀이 고전압 고용량 양극 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상시켰다고 합니다.
바인더는 리튬 이차전지에 사용하는 중요 고분자 소재로 전극을 물리적으로 안정화하는 중요한 역할을 한다고 합니다. 바인더로 사용되는 고분자 물질은 유기계 전해질과 화학적·화학적 거부 반응이 없어야 하고 동시에 안정적인 접착 특성을 유지해야 한다고 하네요.
최근 전기자동차 개발과 상용화가 활발해지면서 상용 전지보다 긴 주행거리를 낼 수 있는 고에너지밀도 이차전지의 필요성이 부각되고 있습니다. 이를 위해서는 현재 상용 양극 소재로 주로 사용하는 리튬코발트산화물(LiCoO2), 니켈코발트망간(NCM)보다 더 높은 용량의 양극 소재가 필요한데요.
차세대 양극 소재로 주목받는 과리튬(Li-rich) 산화물은 리튬코발트산화물보다 두 배 정도의 에너지 용량을 낼 수 있습니다. 하지만 충전전압을 4.4V 이상 높여야 고용량을 획득할 수 있는데 이럴 경우 이차전지 내 열이 발생해 바인더의 접착력이 약해져 전지 성능이 빠르게 퇴화하는 문제점을 갖고 있습니다.
연구팀은 고전압과 고온 조건에서도 별도의 전해질 첨가제를 사용하지 않고도 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 최초로 개발해 기존 리튬코발트산화물보다 두 배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 획득했습니다.
이 연구에서 개발한 불소화 폴리이미드 바인더 소재는 4.7V의 높은 충전 전압과 55℃의 고온의 가혹한 조건에서도 강한 접착력을 유지했으며 과리튬산화물 양극과의 컴비네이션만으로 안정된 고에너지밀도의 리튬이온전지를 구현했다고 합니다.
충전 전압을 높이면 전해질이 산화 분해되고 양극과 전해질 사이 계면이 불안정해지는 종전의 바인더와 달리 연구팀이 개발한 불소화 폴리이미드 바인더는 양극에 표면 보호층을 형성해 계면안정화를 위한 별도의 전해질 첨가제가 필요 없습니다.
송승완 교수와 정현민 교수는 “이번 연구는 높은 전압과 고온 환경에서도 성능을 유지하는 바인더를 개발해 양극 소재의 용량과 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상한 최초의 사례”라며 “기존 양극 제조공정에도 바로 적용 가능하며, 이를 통해 더 오래 사용할 수 있는 이차전지와 주행거리가 길어진 전기자동차를 생산할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했습니다.
이 연구는 교육부‧한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업과 충남대학교 자체연구비의 지원으로 수행됐습니다. 국제학술지 <어드밴스드 펑셔널 메트리얼즈(Advanced Functional Materials)> 1월 10일 논문으로 게재됐습니다.
