고려대·연세대, '양친성 병솔형 고분자 기반 고용량 양극재용 바인더' 개발

분산성·접착성 떨어지는 기존의 문제를 '병솔형 구조의 고분자'로 해결

[서울=뉴시스] A) 기존 PVDF 바인더로 제작된 전극과 양친성 병솔형 고분자 바인더로 제작된 전극 모식도. B) 양친성 병솔형 고분자 합성 모식도. 양친성 병솔형 고분자의 구조적 특이성과 화학적 기능성이 양극재 바인더로 적용되었을 때 효과적으로 작용한다는 것을 보여준다(자료=고려대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 전기차 시장이 커지면서 고용량·고전압 조건을 충족시키기 위해 리튬 이온 전지에 쓰이는 전기 에너지를 생성하는 물질인 활물질 개발과 관련된 연구가 나오는 가운데, 핵심 소재 중 하나인 '고분자 바인더' 개발은 지지부진한 상황이다.

고에너지 밀도를 구현하기 위해 제작된 전극은 기존에 많이 사용되고 있는 PVDF와 같은 바인더를 적용할 때 분산성이 저하되거나 접착성이 떨어지는 등 여러 문제점이 있기 때문이다. 따라서 이를 극복할 새로운 기능성 바인더 소재를 개발할 필요가 있다.

이에 고려대학교는 화공생명공학과 방준하 교수팀이 연세대학교 화공생명공학과 이상영 교수팀과 공동으로 '고에너지 리튬 이온 전지 개발에 핵심이 되는 양친성 병솔형 고분자 기반의 고용량 양극재용 바인더'를 개발했다고 1일 밝혔다.

방준하 교수팀은 양친성을 가진 병솔형 구조의 고분자를 신규 바인더 소재로 디자인해 기존의 양극재 고분자 바인더가 가지고 있는 문제점을 해결했다.

'양친성 병솔형 고분자'는 물과 친하지 않은(소수성) PNB 주사슬과 이와 반대로 친수성인 PAA 곁사슬로 구성된 3차원 구조의 고분자이다. 3차원의 병솔형 구조로 인해 전극 내에서 효과적으로 분산이 되며, 충·방전 시 쉽게 분해되지 않아 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한 주사슬과 곁사슬을 양친성으로 구성해 전해액으로 인한 부피 팽창을 최소화하고, 알루미늄 집전체와의 수소 결합으로 강한 접착력을 보이는 것을 확인했다.

이를 통해 균일한 전자 이온 전도 네트워크를 형성하여 전기화학적, 물리적으로 뛰어난 성능을 보이는 양극재 바인더를 개발한 것이다. 특히, 구체적인 성능은 대용량 전극의 기능을 한 것으로 확인됐으며 반복적인 충·방전 시에도 안정적으로 성능이 유지되는 것을 확인됐다.

방준하 교수는 "기존에 많이 사용되고 있는 PVDF와 같은 선형 고분자 바인더를 효과적으로 대체할 수 있는 새로운 바인더 핵심 소재를 개발했다는 데에 큰 의미가 있다"며 "이를 통해 고에너지 밀도의 리튬 이온 전지 개발이 더욱 활발히 이루어질 것으로 예상된다"고 말했다.

이번 연구 결과는 한국 시간으로 지난달 21일 에너지 소재 분야 세계적 학술지 'Advanced Energy Materials'에 온라인으로 실렸다.


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