가천대·한국지자硏, 전고체전지 성능 개선 신소재 바인더 개발

[성남=뉴시스]전고체전지 실리콘 음극의 사이클 이후 구조 변화를 보여주는 주사전자 현미경 사진(사진=가천대 제공)[email protected]

[성남=뉴시스] 신정훈 기자 = 가천대학교는 화공생명배터리공학부 이동수·박찬호·최정현 교수 연구팀이 한국지질자원연구원 정인철 박사 연구팀과 공동으로 전고체전지용 순수 실리콘 음극의 수명과 충·방전 성능을 크게 개선한 신소재 바인더를 개발했다고 9일 밝혔다.

연구팀이 개발한 바인더는 '계면강화 가교 바인더'(IRCB)로, 전고체전지에서 순수 실리콘 음극 사용 시 발생하는 구조 붕괴 문제를 해결하기 위해 설계된 소재다.

배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장하고 방출한다. 일반적으로 음극에는 흑연이 사용되지만 실리콘을 적용하면 이론적으로 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

다만 실리콘은 충·방전 과정에서 부피가 최대 3배까지 팽창과 수축을 반복해 입자 파괴와 계면 박리 등이 발생하는 문제가 있다. 특히 전극과 전해질의 밀착이 중요한 전고체전지에서는 이러한 부피 변화로 고체 간 접촉이 쉽게 끊어져 순수 실리콘 음극 적용에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 에폭시와 아민 반응을 이용해 3차원 고분자 네트워크 구조를 형성하는 IRCB 바인더를 설계했다. 이 구조는 실리콘 입자 표면과 강한 수소결합과 화학 결합을 형성해 입자 간 결합력을 높이고 반복적인 부피 변화에도 전극 구조가 안정적으로 유지되도록 돕는다.

실험 결과 IRCB 바인더를 적용한 순수 실리콘 음극은 빠른 충·방전 조건에서 300회 반복 후에도 초기 용량의 90% 이상을 유지했다. 이는 기존 PVDF 바인더 기반 실리콘 음극의 용량 유지율 16%와 비교해 5배 이상 향상된 성능이다.

이번 연구 성과는 에너지·재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 'Interfacially Reinforced Crosslinked Binder with Structural Integrity for Stable Micro-Sized Silicon Anodes in All-solid-state Batteries'라는 제목으로 최근 게재됐다.

논문에는 이동수 교수가 주 교신저자로 참여했으며 박찬호 교수와 최정현 교수가 공동 교신저자로 이름을 올렸다. 제1저자는 이찬호 석사과정생이며 남유리 석사와 한국지질자원연구원 정인철 선임연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업과 과학기술정보통신부 기초연구사업, 한국지질자원연구원 기본사업 지원을 받아 수행됐다.


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