POSTECH “주행거리 10배 이상 늘리는 배터리 나온다”

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)과 서강대학교 공동연구팀이 지금보다 10배 이상의 용량을 내는 실리콘 음극활물질을 개발했다고 20일 밝혔다.

POSTECH 화학과 박수진 교수·신소재공학과 김연수 교수 연구팀이 서강대 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀과 공동연구를 통해 층상 전하 고분자를 사용, 기존 음극활물질인 흑연을 대체해 흑연보다 10배 이상의 용량을 내는 안정적인 고용량 음극활물질을 개발했다. 

이 연구성과는 재료공학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 표지논문으로 게재됐다.

실리콘과 같은 고용량 음극활물질은 상용화 음극소재인 흑연에 비해 10배 이상의 용량을 낼 수 있어 고에너지밀도 리튬 이차전지로 가기 위해 꼭 필요한 요소다. 

하지만, 고용량 음극활물질의 경우, 리튬과 반응할 때 수반되는 부피팽창이 전지 성능과 안정성을 위협한다. 이를 해결하기 위해, 부피팽창을 잘 잡아줄 수 있는 고분자 바인더 연구가 많이 진행되고 있다.

지금까지 고용량 음극활물질의 바인더 연구는 화학적 가교와 수소결합에만 집중돼 있었다. 화학적 가교는 공유결합으로 바인더끼리 결합하기 때문에 단단하지만 한번 끊어지면 다시 회복될 수 없는 치명적인 단점을 가지고 있다. 

한편, 수소결합은 전기음성도 차이에 따른 가역적인 분자 간의 이차결합으로 잘 알려졌지만 세기(10-65 kJ/mol)가 약하다는 단점이 존재한다.

이번에 공동연구팀이 개발한 전하 기반 고분자는 수소결합뿐만 아니라 양전하와 음전하 사이의 인력, 즉, 쿨롱의 힘을 이용하는 차별성을 가지고 있다. 

쿨롱의 힘 (250 kJ/mol)은 수소결합에 비해서 굉장히 강한 이차결합이지만 가역적이기 때문에 부피팽창을 쉽게 억제할 수 있다. 

고용량 음극활물질의 표면은 대부분 음전하를 띄고 있고 그 위를 양전하를 띄는 고분자가 덮고 양전하를 띄는 고분자 위를 음전하를 띄는 고분자가 덮는 층상 구조(Layering charged polymers)를 구성한다. 

전극 내 리튬이온의 이동을 쉽게 하고, 물성을 조절하는 폴리에틸렌글리콜을 도입해 두꺼운 고용량 전극도 만들어서 리튬이차전지의 에너지밀도를 극대화했다.

박수진 교수는 “이 연구는 고용량 음극활물질의 도입으로 리튬이차전지의 에너지밀도를 크게 증가시킬 수 있고 그에 따라, 전기차의 주행거리도 늘릴 수 있을 것으로 예상된다”며 “실리콘 음극활물질로 10배 이상 기어진 주행거리도 가능할 것으로로 기대한다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 나노 및 소재 기술개발사업, 미래기술연구실 사업의 지원으로 수행됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부, 나노 및 소재 기술개발사업, 미래기술연구실 사업의 지원으로 수행됐다.