바인더-전해질 일체형 소재로 실리콘 음극 적용 차세대 리튬이온전지 수명 2배 향상
성균관대 화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구진은 삼성SDI 연구팀과의 공동연구를 통해 수소결합을 제어하여 고분자 사슬에 가교된 파라-페닐렌디아민(p-Phenylenediamine) 작용기에 리튬 이온이 도핑된 화학구조에서 효율적인 이온전도가 가능한 구조로 전환되는 메커니즘을 최초로 규명하였다. 바인더와 전해질 기능이 통합된 본 신규 고분자는 리튬이온전지용 차세대 실리콘 음극에 적용되어 전지의 수명을 2배 이상 향상시키는 특성을 검증하였고, 더 나아가 바인더-전해질 통합 소재를 이용하여 고성능과 고안전성을 가지는 새로운 전고체 전지 시스템을 제안했다.
페닐렌디아민 가교 고분자의 초분자체를 리튬이온전지의 실리콘 기반 음극소재의 바인더로 적용하여 상용 수준에 해당하는 극미량의 전해질 주입 조건 하에서 파우치 셀 전지의 용량특성을 평가한 결과, 일반 바인더의 경우 300사이클 구동 후 40% 수준의 용량 유지율이 확인된 반면 신규로 합성된 초분자체의 경우에는 그 2배 수준인 80% 이상의 전지 용량 유지율을 확보할 수 있었다.
일반적으로 이차전지의 바인더로 이용될 수 있는 고분자 소재는 낮은 이온전도성을 보인다. 고분자 내 이온전도 현상은 고분자 사슬들이 수송체 이온과 결합과 해리를 반복하는 방식으로 발생한다. 따라서 기존에는 고분자 바인더의 이온전도를 촉진시키기 위해, 고분자 사슬의 이동성을 높여 줌으로써 이온과의 결합과 해리를 가속화하는 방향에 초점이 맞추어져 왔다. 그러나 고분자 사슬의 이동성이 높아지면 견고성이나 탄성과 같은 소재의 기계적 물성이 저하되는 상충관계를 보이게 되어 차세대 음극 소재인 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 억제하지 못한다.
성균관대-삼성SDI 공동연구진은 만약 바인더가 기계적 특성을 유지하는 동시에 높은 이온전도성을 가질 수 있다면 실리콘 소재의 수명 특성을 극대화 할 수 있다는 사실에 주목, 상기의 상충관계를 회피할 수 있는 새로운 이온 수송 경로를 확립하고 향상된 이온 전도 특성이 바인더의 역할을 하는 동시에 고분자 전해질 역할도 수행하는 바인더-전해질 일체형 전지 시스템을 개발하고자 했다.
본 연구의 교신저자인 성균관대 유필진 교수와 제1저자인 남명균 박사(성균관대 박사후연구원)는 고분자의 사슬 이동성에 의존하는 이온전도 경로를 대체하기 위하여, 이온 이동을 촉진할 수 있는 가교 역할을 수행할 파라-페닐렌디아민을 이온전도성 고분자 사슬 사이에 수소결합을 통해 결합시킨 초분자 구조체를 설계하고 합성하였다. 이를 통해 합성된 초분자체는 일반적인 이온전도성 고분자에 비해 최소 6배 이상의 높은 이온전도성을 나타내었으며, 고분자 사슬 사이에 삽입된 파라-페닐렌디아민의 강화된 분자구조 및 수소결합으로 인하여 3배 이상의 기계적 강도 향상(인장강도 측정 기준) 효과를 보여 주었다.
공동연구진은 더 나아가, 이러한 초분자체를 고체 전해질 및 바인더로 적용한 상용화 수준의 전고체 전지(리튬인산철 양극과 리튬금속 음극 구성, 고체 전해질 함량 5mg/mAh 미만)를 제작하여 성능을 평가한 결과, 일반적인 이온전도성 고분자 전해질로 제작된 전지는 이러한 극한조건에서의 전지구동 특성 확보에 실패하였으나, 초분자체를 이용한 바인더-전해질 일체형 전고체 전지 시스템에서는 100사이클 구동 후 99% 가량의 우수한 용량유지율을 확보하는 뛰어난 성능을 보여주었다.
이러한 우수한 연구결과는 성균관대와 삼성SDI가 2017년 이래로 7년간 지속해온 전략산학공동연구사업의 성과물로서, 차세대 이차전지 기술의 상업화 적용을 위해 요구되는 각종 특성들을 전략산학공동연구의 접점을 통해 파악하고, 대학이 개발하는 신규 소재와 공정기술들을 기업의 평가/생산기술에 즉각적으로 활용하는 협업 플랫폼을 통해서 창출되었다는데 큰 의의가 있다. 특히 기술 경쟁이 치열한 첨단 분야에 있어서 전략 산학 공동연구의 성과 기술이 가질 수 있는 원천성과 파급력의 중요함을 보여주는 사례라고 할 수 있다.
본 연구는 성균관대-삼성SDI 전략산학 공동연구 및 한국연구재단의 연구지원사업을 통해 수행되었다. 재료분야 최고 권위의 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4)에 2월 1일자 온라인에 게재되었고, 개발 기술은 공동특허 출원 중으로 차세대 리튬이온전지 개발적용에 핵심적인 소재기술로 활용될 것으로 보인다.