전도성·접착력 모두 잡은 신물질로 차세대 해수전지 성능 향상

이동욱 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수(왼쪽)와 황정욱 연구원. UNIST 제공

국내 연구팀이 해수전지가 물속에서 장시간 고효율로 작동하도록 돕는 신물질을 개발했다. 해수전지는 바닷물을 활용해 전기를 저장하는 이차전지로 경제적이고 에너지 밀도가 높은 차세대 에너지 저장 장치로 주목받는다.

울산과학기술원(UNIST)은 이동욱 에너지화학공학과 교수팀이 전기전도성과 수중 접착력이 모두 뛰어난 고분자 바인더(접착제)를 개발했다고 27일 밝혔다. 연구결과는 3월 31일 국제학술지 '에너지와 환경과학'에 공개됐다.

배터리 전극은 반응에 관여하는 활물질과 전자 이동을 촉진하는 도전재 등 여러 물질이 석인 복합구조로 이뤄졌다. 바인더는 이들을 단단하게 접착하는 역할을 한다. 물속에서 장시간 작동해야 하는 해수전지에서 수중 접착력과 전기 전도성이 뛰어난 바인더 개발이 필수적이다.

연구팀은 한 물질 안에 비결정성·결정성 영역이 모두 나타나는 '반결정성' 고분자 바인더를 개발했다. 고분자가 규칙적으로 배열된 결정성 영역은 전자가 빠르게 이동할 수 있는 통로를 제공해 전도성을 높인다. 비결정성 영역은 고분자 사슬이 유연하게 움직이며 다른 표면에 결합하기 쉬워 접착력을 높인다.

개발된 바인더를 적용하자 기존 플라스틱 소재인 PVDF 바인더를 쓴 경우보다 해수전지의 수명이 3.3배 늘었다. 기존 바인더는 구동 이후 120시간 동안 급격한 성능 저하가 나타났지만 새로운 바인더는 1200시간까지 안정적인 성능을 유지했다. 

전지 내의 반응 효율에 영향을 주는 과전압도 최대 66% 감소해 에너지 효율도 높아졌다. 최대 출력도 96% 늘었다.

연구팀은 "향후 다양한 전자소재, 수계 금속 전지와 에너지 저장 시스템으로 확장이 기대된다"고 말했다. 수계 금속 전지는 물 기반 전해질을 사용하는 배터리다. 해수전지도 수계 금속 전지의 한 형태다.

개발된 바인더는 불소(F)계 화합물을 포함하지 않아 유럽연합(EU)의 과불화합물(PFAS) 규제에 대응한 전기차 배터리 소재로도 잠재력이 있는 것으로도 평가된다. EU는 환경 잔류성, 인체 유해성 문제로 기존 바인더인 PVDF를 포함한 PFAS의 사용을 단계적으로 줄여나갈 계획이다.

황정욱 UNIST 에너지화학공학과 연구원은 "반결정성 고분자 설계를 통해 기존 바인더의 한계를 극복하고 해수전지의 성능을 향상했다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1039/D5EE01350J

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]