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[눈길끄는 알앤디] 리튬이차전지용 고성능 양극바인더 소재 개발

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송강섭 기자 작성일승인 2018-01-23 12:34 수정 2018-01-23 12:34

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한국연구재단_ 고전압 바인더 ok.png
고전압 바인더를 적용한 양극의 계면 및 구조 안정화 효과를 보여 주는 그림  ⓒ한국연구재단

 

 

최근 전기자동차의 보급이 늘면서 주행거리가 긴 고에너지밀도 이차전지의 개발 필요성이 높아지고 있다. 이를 위해서는 기존의 리튬코발트산화물(LiCoO2), 니켈코발트망간(NCM)보다 더 큰 용량의 양극소재가 필요하다. 차세대 양극소재로 주목받는 과리튬(Li-rich) 산화물은 리튬코발트산화물보다 2배의 에너지를 낼 수 있다. 다만 이는 충전전압을 4.4V 이상으로 높여야 가능한데 이럴 경우 이차전지에 열이 발생해 바인더의 접착력이 약해지면서 전지 성능이 빠르게 떨어진다. 바인더는 리튬이차전지에 사용되는 고분자 소재로 전극을 물리적으로 안정화시키는 역할을 한다. 충남대 송승완 교수·금오공대 정현민 교수 공동연구팀이 최근 고전압 고용량 양극 소재용 바인더 신소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 높이는데 성공했다.


23일 한국연구재단에 따르면, 송승완·정현민 교수 공동연구팀은 고전압과 고온의 조건에서도 별도의 전해질 첨가제 없이 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 개발했다. 이 바인더 소재는 기존 리튬코발트산화물보다 2배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 가진 것으로 조사됐다. 


전기차의 주행거리는 리튬이차전지의 에너지밀도에 달렸다. 주행거리를 늘리려면 이차전지의 에너지밀도를 2배 이상으로 크게 높여야 한다. 이를 위해서는 양극의 고용량화가 필요하다. 고전압 충전을 하면 양극 용량을 늘릴 수 있다. 하지만 기존 상용 전해질의 전기화학적 불안정성이 최대 걸림돌이다. 

 

이에 따라 연구팀은 고전압 전해질 첨가제 개발 등 다양한 시도를 했다. 그러던 중 기존 바인더보다 고전압에서도 접착력이 낫고 안정성을 가지는 고전압형 바인더를 적용하면 양극의 고전압 특성이 향상될 것으로 봤다. 

 

이 같은 과정을 거쳐 개발된 불소화 폴리이미드 바인더는 과리튬산화물 양극과의 결합만으로도 안정된 고에너지밀도의 리튬이온전지를 구현했다. 이 바인더 소재는 4.7V의 높은 충전 전압과 55℃의 고온에서도 강한 접착력을 유지하는 것으로 조사됐다. 

 

바인더로 사용되는 고분자 물질은 유기계 전해질과 화학적·화학적 거부 반응이 없어야 한다. 또 안정적인 접착 특성도 유지해야 한다. 기존의 바인더는 충전 전압을 높이면 전해질이 산화해 분해되고 양극과 전해질 사이 계면이 불안정해진다. 

 

이와 달리 연구팀이 개발한 불소화 폴리이미드 바인더는 양극에 표면 보호층을 형성해 계면 안정화를 위한 별도의 전해질 첨가제가 필요 없다. 


송 교수는 이번 연구에 대해 "높은 전압과 고온의 환경에서도 성능을 유지하는 바인더 개발로 양극소재의 용량과 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 높인 첫 사례"라고 했다. 정 교수는 "기존 양극 제조공정에 곧바로 적용이 가능하다"며 "이를 통해 더 오래 사용할 수 있는 이차전지와 주행거리가 더 긴 전기자동차를 생산할 수 있을 것"이라고 했다.


이번 연구는 교육부‧한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업과 충남대학교 자체연구비의 지원으로 진행됐다. 연구 결과를 담은 논문은 국제학술지 '어드밴스트 펑셔널 머트리얼즈(Advanced Functional Materials)' 이달 10일자에 실렸다. 다음은 연구팀과의 일문일답.


-연구 과정에 대해 설명해달라.

▲고용량의 과리튬산화물 양극소재는 이차전지의 에너지밀도를 높이고 전기차 주행거리를 획기적으로 증가시킬 수 있는 핵심 소재다. 하지만 4.4V 이상의 고전압 충전조건이 필수적이기 때문에 상용 전해질과 함께 사용하기 어려웠다. 이런 문제를 해결하기 위해 고전압 전해질 소재 개발, 양극활물질 표면코팅 등 다양한 연구가 진행되어 왔다. 우리 연구팀은 선행 연구 내용과는 다른 각도로부터 문제를 해결하고자 했다. 그래서 고전압 바인더와 과리튬 산화물 양극소재를 컴비네이션하는 연구를 시작했다.  


- 연구 중 어려움이 있었다면 무엇이었나.

▲전해질 첨가제를 사용하지 않고 과리튬 산화물 양극의 충전 조건을 4.7V까지 높여 안정적인 충전, 방전 사이클 성능을 확보한 선행 보고가 전무하다. 성능 구현을 위해 모든 실험 조건을 최적화하는 것 자체가 큰 도전이었다. 또 바인더로부터 유도된 양극-전해질 계면 안정화 현상과 성능 향상 효과를 표면화학적 관점, 구조적 관점, 양극-음극 상호작용적 관점에서 분석하고 이해하고 풀어내는 것도 도전이었다. 결국 모든 데이터를 유기적으로 연계해 해석함으로써 답을 얻을 수 있었다.


- 이번 연구의 의미은 무엇인가. 

▲고전압 조건에서 기존 상용 바인더의 한계를 극복할 수 있는 새로운 다기능 바인더 소재인 불소화 폴리이미드를 최초로 개발하고 과리튬 산화물 양극에 최초로 적용함으로써 고용량과 안정적인 충방전 성능을 최초로 얻었다. 이런 양극을 전기자동차용 이차전지에 적용하면 주행거리의 획기적 늘릴 수 있을 뿐 아니라 이차전지의 안전성 향상도 기대할 수 있다.


- 향후 연구 계획과 목표에 대해 말해달라.

▲이번에 개발한 고전압 바인더를 다양한 고용량 양극소재와 결합해 리튬이차전지의 고에너지밀도화와 장수명화를 이룸으로써 상용화에 기여하고자 한다. 기초연구를 통해 고전압 영역의 미지의 배터리화학을 정립하고자 한다. 

 

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr


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