포스텍 화학과 박수진 교수·신소재공학과 김연수 교수 연구팀이 공동연구를 통해 층상 전하 고분자를 사용, 기존 음극활물질인 흑연을 대체해 흑연보다 10배 이상의 용량을 내는 안정적인 고용량 음극활물질 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 요소이다.
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.
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.
또, 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 수행됐으며, 포스텍 화학과 박수진 교수·신소재공학과 김연수 교수 연구팀, 서강대 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀이 공동연구했다.