왼쪽부터 성균관대 김기재 교수, 서울대 최장욱 교수, 성균관대 박보근 연구원(사진=성균관대)
연구팀은 리튬 이온 배터리의 에너지를 획기적으로 높이면서도 수명 연장이 가능한 ‘하이브리드 고분자 바인더’를 개발했다. 성균관대는 “배터리 용량을 늘리기 위해 전극을 두껍게 만들 때 습식 공정에서 발생하는 고질적인 바인더 분산 문제와 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 기술”이라고 설명했다.
최근 학계·산업계에선 전기차 주행거리를 늘리기 위한 연구를 진행하고 있다. 특히 배터리 내부 전극에 니켈 성분이 많은 고용량 양극 소재를 더 많이, 더 두껍게 쌓는 ‘고로딩 전극’ 기술 연구가 한창이다.
연구팀은 우리가 흔히 입는 신축성 좋은 옷감인 ‘스판덱스(SPDX)’와 ‘폴리아크릴산(PAA)’이라는 두 가지 전혀 다른 성질의 고분자를 활용했다. 이를 복합화해 새로운 형태의 ‘듀얼 액팅 하이브리드 고분자(DHP)’ 바인더로 전극에 적용한 것이다. 이 새로운 바인더는 스판덱스의 우수한 신축성 덕분에 두꺼운 전극을 만들어도 갈라지거나 부서지지 않는 구조를 유지하도록 돕는 역할을 한다.
실제 연구 결과 연구팀이 개발한 바인더를 사용한 전극은 기존 PVDF 바인더보다 무려 2배가량의 강한 접착력을 나타냈다.
나아가 연구팀은 이 신소재 바인더를 적용해 실제 산업에서 쓰이는 형태인 대용량 ‘파우치형 배터리 셀’을 제작해 검증을 진행했다. 검증 결과 기존 바인더를 사용한 배터리는 약 95회 만에 수명이 다해 용량이 급격히 떨어졌지만, 연구팀이 개발한 하이브리드 바인더를 적용한 배터리는 200회가 넘는 충·방전 반복 후에도 초기 용량의 86.8%를 안정적으로 유지하며 수명이 2배 이상 향상됐다.
성균관대는 이번 연구 성과에 대해 “제조 공정을 바꾸거나 배터리 설비를 새로 구축할 필요 없이 기존의 습식 제조 공정을 그대로 사용하면서 고용량 배터리를 만들 수 있어 산업적 가치가 매우 높다”고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Nature Communications)에 게재됐다.
김기재 교수는 “이번에 개발한 바인더 기술은 최근 차세대 배터리 제조 기술로 주목받는 건식 공정을 도입하지 않고도 기존 습식 생산 공정을 그대로 활용할 수 있어 산업 적용성이 높으며, 차세대 전기차의 주행거리 향상에 핵심적인 역할을 할 것”이라고 기대했다.
