전기차 주행시간 늘린다···이차전지용 바인더 소재 개발

송승완 충남대 교수, 정현민 금오공대 교수와 공동연구
리튬 이차전지의 에너지밀도 향상
최근 전기자동차 개발과 상용화가 이뤄지면서 기존 전지보다 긴 주행거리를 낼 수 있는 이차전지의 필요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이에 활용될 수 있는 새로운 양극 소재를 개발하는데 성공했다. 

한국연구재단(이사장 조무제)은 송승완 충남대 교수와 정현민 금오공대 교수 공동연구팀이 고전압 고용량 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상시켰다고 17일 밝혔다.

바인더 소재는 리튬 이차전지에 사용하는 중요 고분자 소재인데 전극을 물리적으로 안정화하는 중요한 역할을 한다. 바인더로 사용되는 고분자 물질은 유기계 전해질과 화학적·화학적 거부 반응이 없어야 하고 동시에 안정적인 접착 특성을 유지해야 한다.

현재 상용 양극 소재로 리튬코발트산화물(LiCoO2), 니켈코발트망간(NCM)이 주로 사용되는데 이보다 더 높은 용량을 갖춘 양극 소재가 필요하다. 

차세대 양극 소재로 주목받고 있는 과리튬(Li-rich) 산화물은 리튬코발트산화물보다 2배 정도의 에너지 용량을 낼 수 있다. 하지만 충전전압을 4.4V 이상 높여야 고용량 획득이 가능한데다 이차전지 내 열 발생으로 바인더 접착력이 약해져 전지 성능이 빠르게 퇴화한다는 문제점이 있다.  

이에 연구팀은 고전압과 고온 조건에서도 별도의 전해질 첨가제를 사용하지 않고도 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 개발했다. 성능 분석 결과, 기존 리튬코발트산화물보다 용량이 2배 높고, 충·방전 성능이 안정적인 것으로 나타났다.

송승완 교수와 정현민 교수는 "이번 연구는 높은 전압과 고온 환경에서도 성능을 유지하는 바인더를 개발해 양극 소재의 용량과 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상한 최초의 사례"라며 "기존 양극 제조공정에도 바로 적용 가능하며, 이를 통해 더 오래 사용할 수 있는 이차전지와 주행거리가 길어진 전기자동차를 생산할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 이공학 개인기초연구지원사업과 충남대학교 자체연구비 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 메트리얼즈(Advanced Functional Materials)에 지난 10일자 논문으로 게재됐다. 

고전압 바인더를 적용한 양극의 계면, 구조 안정화 효과.<자료=한국연구재단 제공> 고전압 바인더를 적용한 양극의 계면, 구조 안정화 효과.<자료=한국연구재단 제공>
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