전기 전달 72배나 껑충!… UNIST, 고분자 바인더 개발 배터리 성능 꿈틀

강석주·이현욱 연구팀 “높은 전기전도성 실리콘 음극용 기술”
도전재 없이 적용 가능‥ Energy Storage Materials에 게재

전기 전도성을 70배 이상 높여 배터리 성능을 크게 향상하는 고분자 도구가 개발돼 눈길이 쏠린다.

전극과 전도성 물질 사이의 접착제 역할을 하는 고성능 바인더가 새로 개발돼 높은 전기전도성을 가지며 배터리 충·방전 속도에 영향을 미치는 음극 분야에서 다양하게 사용될 전망이다.

UNIST(총장 이용훈)는 에너지화학공학과 강석주 교수팀과 이현욱 교수팀이 높은 전도성 고분자 중 가장 대표적인 물질인 PEDOT:PSS와 폴리에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 고분자를 혼합해 전기전도도가 높고 기계적 성질이 우수한 실리콘 음극용 바인더 기술을 개발했다고 12일 알렸다.

실리콘 음극재 바인더로 전도성 고분자를 사용했을 때의 장점을 보여주는 연구그림. (a.활물질 외의 물질을 감소시켜 에너지 밀도 향상 b.사이클 구동 중에 부피팽창이 반복되더라도 도전재의 접촉이 유지되어 전도도 유지 c.PEG의 혼합으로 PEDOT:PSS의 전도도를 향상시키는 메커니즘)

연구진에 따르면 PEDOT:PSS는 유연한 성질을 가지며 빠르고 간단한 제작 공정으로 대량생산이 가능한 고분자다. 하지만 전기전도도가 비교적 낮아 전극과 전도성 물질 사이에 접착제 역할을 하는 ‘바인더’로 사용할 경우 전도성 물질인 ‘도전재’를 사용해야만 배터리 구동이 가능했다.

연구팀이 개발한 고전도성 고분자 바인더는 도전재 없이도 구동할 수 있다. 제한된 부피 안에 리튬을 저장할 수 있는 실리콘 음극의 양을 증가시켜 높은 에너지 밀도를 갖는 실리콘 음극 기반 이차전지를 구현할 수 있다.

강석주 교수는 “상용화된 고분자를 활용한 높은 전기전도도의 고분자 바인더를 개발해 실리콘 음극 기반 이차전지의 성능을 향상할 수 있다”며 “개발된 혼합물은 기존 대비 약 72배의 전기전도도를 보였다”고 설명했다.

새로 개발된 고분자 바인더는 높은 전기전도성 외에도 기계적 성질이 매우 우수한 것으로 나타났다. 실리콘 음극의 최대 단점으로 알려진 부피팽창 및 수축 시에도 효과적으로 바인딩 역할을 해 100번의 충·방전에도 기존보다 75%의 배터리 용량을 유지하며 높은 성능을 확인할 수 있다는 것이다.

유니스트 연구진. (왼쪽부터 강석주교수, 이현욱 교수, 제1저자 공녕주 연구원, 김명선 연구원)

제1저자인 공녕주 에너지화학공학과 연구원은 “PEDOT:PSS의 효과적인 상변화로 전기전도성과 기계적 성질을 향상해 높은 에너지 밀도를 가지는 실리콘 음극을 개발했다”며 새로운 고분자 개발을 통한 배터리 성능 향상을 강조했다.

이현욱 교수는 “개발된 고분자 바인더를 이용한 실시간 리튬 저장 실험을 통해 높은 안정성을 확인했다”며 “앞으로 실리콘 음극 연구 분야 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)에 2023년 11월 17일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP), 과학기술정보통신부(MIST)의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr