기존 대비 5배 이상 용량 증가한 고용량 전극으로 조기 상업화가 가능한 기술로 평가받아
연세대학교는 화공생명공학과 이상영 교수 연구팀이 전기차 배터리 전극의 용량을 획기적으로 높일 수 있는 전극 후막화(Thick Film) 기술을 개발해 국제 학술 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 9월 15일 게재됐다고 밝혔다.
고려대 곽상규 교수, 인천대 임태은 교수와 공동 연구로 개발한 고용량 전극 원천기술은 이온성 바인더 소재를 이용해 기존 상용 전극 대비 용량을 5배 이상 증가시킨 기술이다. 이는 전기차 주행거리 증대에 획기적으로 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 양산 전극 제조 공정을 그대로 이용할 수 있다는 측면에서 조기 상업화가 가능한 기술로 보인다.
전자기기 성능이 급속히 발전함에 따라, 최근 이를 구동하기 위한 고성능 이차전지 개발의 필요성이 대두되고 있다. 특히 친환경, 고효율을 장점으로 시장이 폭발적으로 증가 중인 ‘전기자동차’ 분야의 경우, 고에너지 전지 확보가 절실한 상황이다. 이를 위해 학계와 산업계에서 새로운 전극 활물질에 대한 연구가 활발히 수행되고 있지만, 아직 상업화 수준의 이차전지 개발에는 더욱 많은 연구와 노력이 필요한 실정이다.
이에 대한 대안으로써, 기존 전극 활물질을 그대로 사용하면서 전지의 에너지밀도를 높이는 방법이 주목받고 있다. 이는 전극 내 활물질 함량을 높여 전극의 활물질 코팅층 두께를 증가시키는 후막 전극이다. 그러나 전극이 너무 두꺼워지면 전극 제조 도중 물리적 균열이 발생하고, 전극 내 전자 및 이온 흐름의 불균일성이 발생하는 등 전지 특성이 저하되는 문제를 보이게 된다.
이를 해결하기 위해 연세대 이상영 교수 연구팀은 ‘양이온성 상호 침투형 고분자 네트워크’라는 새로운 전극 바인더를 개발했다. 신규 바인더는 계면활성제 역할을 해 전극 슬러리의 분산 상태를 개선하고, 용매의 증발로 인한 내부 응력을 완화시켰다. 또한 신규 바인더의 양이온성 관능기는 액체 전해질과의 정전기적 인력 제어를 통해, 후막 전극 내에서 리튬 이온의 이동 속도를 높였다. 이에 따라, 기존 상용 전극(면적당 용량 4 mAh cm–2)보다 5배 이상 향상된 후막 고용량 전극(면적당 용량 20 mAh cm–2)이 개발됐다.
연세대 이상영 교수는 “이번 연구는 전극 활물질 소재 위주로 진행되어 온 기존 연구들과는 차별화된 시도로써, 특히 기존 양산 전극 제조 공정을 그대로 활용하면서도 후막 전극을 구현할 수 있다는 측면에서 고에너지 전지 개발에 실질적으로 기여할 것으로 기대된다.”고 전했다. 또한, “특정 활물질 소재에 국한되지 않고 NCM(삼원계) 및 LFP(인산철)와 같은 여러 다양한 활물질에도 적용 가능한 상업적 응용 가능성이 높은 기술”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 이루워졌다.