ETRI, 전고체 이차전지 음극에 전도성 바인더 적용
안정적 구동·배터리 수명 연장 확보

전도성 바인더를 적용한 전극 구조. [사진=ETRI]
전도성 바인더를 적용한 전극 구조 실험 모습. [사진=ETRI]
국내 연구진이 차세대 리튬 이차전지로 알려진 전고체 이차전지용 전도성 바인더 소재를 개발하는 데 성공했다. 친환경적이며 단순화된 제조공정으로 에너지 밀도를 극대화해 고성능 전고체 이차전지를 구현하는 데 기여할 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원·원장 김명준)는 환경친화적 소재인 셀룰로오스 기반 새로운 전도성 바인더를 개발, 전고체(all-solid state) 이차전지 음극에 적용했다고 12일 밝혔다. 

차세대 이차전지로 각광받는 전고체 이차전지는 전지 내부에서 이온을 전달하는 전해질을 액체에서 고체로 바꿈으로써 안전성과 에너지 저장 밀도를 높인 전지 시스템이다. 배터리에서 음극은 양극에서 이동한 리튬이온의 저장소 역할을 하며, 음극재는 배터리의 충전 속도와 수명 및 안정성을 결정하는 중요한 요소다.

바인더는 전극 구성에 있어 상대적으로 적은 함량이지만, 활물질에 도포돼 전하 전달이 용이하게 접착력을 부여해 전고체 배터리의 성능을 보장한다. 다만, 성능을 높이기 위해 활물질 입자 간 계면 저항을 낮추는 이온 전도성 바인더의 적용이 요구된다.

연구진은 상용화된 셀룰로오스계 소재를 이용, 대량생산에 최적화된 산처리 공정을 통해 고품질 이온 전도성 바인더를 개발하는 데 성공했다. 개발된 바인더를 흑연 음극 구성에 적용해 새로운 전극 구조도 만들었다. 개발된 전극 구조는 제조공정 단순화 및 에너지 밀도 극대화를 위해 전해질 성분이 완전히 배제됐으며, 더 많은 활물질로 구성됐다.

아울러 다양한 전기화학 평가 및 분석을 통해 기존 비전도성 바인더 대비 충방전 과전압 약 30% 감소, 고율 충방전 성능 약 40% 증가 등 흑연 활물질 입자 계면에서 전도성 향상 효과를 확인해 안정적 구동과 배터리 수명 연장 기술을 확보했다.

본 연구를 주도한 신동욱 ETRI 박사는 "전도성 바인더 소재를 전고체 이차전지에 적용함으로써 입자 간 리튬 이온 전달 효율성을 극대화시키는 데 성공했고, 전극 내 전해질 성분을 배제함으로써 기존 전지 제조공정을 충분히 활용할 수 있게 됐다"며 "향후 고성능 전고체 이차전지 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 ETRI 기본사업 'ICT 소재·부품·장비 자립 및 도전 기술개발'의 지원으로 수행됐다. 결과는 에너지 소재 분야 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 게재됐다.

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