고에너지 밀도 배터리의 상용화 앞당길 전환점 기대
포스텍은 박수진·김연수 교수 연구팀이 동국대 마수드(Masud) 교수 연구팀과 함께 고용량 배터리 구현의 핵심 기술인 '후막 전극'을 안정적으로 구현할 수 있는 신규 바인더 'ICEP'를 개발했다고 6일 밝혔다.
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| ▲ 포스텍 화학과 박수진 교수. [포스텍 제공] |
최근 전기차 배터리의 용량을 두 배로 늘릴 수 있는 새로운 바인더를 개발하며 주목받았던 박수진 교수 연구팀이 이번에는 바인더 함량을 기존의 3분의 1 수준으로 줄이면서도 배터리 용량을 늘리는 데 성공해 다시 한번 주목받고 있다.
이번 연구 성과는 세계적인 권위의 재료과학 국제 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 김연수 교수. [포스텍 제공] |
기존 배터리 업계는 용량을 늘리기 위해 얇은 전극을 여러 장 쌓는 방식을 사용해 왔다. 그러나 이 방법은 전극만 늘어나는 것이 아니라, 에너지를 저장하지 않는 분리막이나 지지대 같은 부품도 함께 늘어나면서 배터리가 무거워지고 부피만 커지는 문제점이 있다.
이를 극복하려면, 한 장의 전극에 더 많은 에너지 저장 물질을 담을 수 있는 '후막 전극' 기술이 필요하다. 그러나 전극이 두꺼워질수록 내부로 리튬이온이 침투하기 어려워지고, 전극을 붙잡아주는 바인더가 위쪽에 몰리면서 균열이나 손상이 발생하는 등 여러 문제가 생겼다.
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| ▲ 동국대 의생명공학과 마수드 교수. [포스텍 제공] |
특히, 기존 바인더는 전극 내 활물질 사이를 충분히 감싸지 못해 표면이 불안정하고, 건조 과정에서 생기는 응력을 견디지 못하고 갈라지는 현상이 잦았다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 물 분자가 얼음 결정으로 응고될 때 수소결합을 통해 질서정연한 구조를 형성하는 원리에서 착안, 수소결합을 유도하는 기능기를 ICEP에 도입했다.
이 기능기는 양극활물질 표면과 강하게 상호작용하며 입자 하나하나를 균일하게 감싸는 구조를 형성하여 전극 표면을 안정화시킨다. 동시에 수소결합 네트워크는 리튬이온의 확산 경로를 형성하고, 건조 중 발생하는 내부 응력을 효과적으로 분산시킨다.
이러한 수소결합 기반 네트워크 덕분에 ICEP 바인더는 기존 대비 3배 이상의 두꺼운 전극에도 안정적으로 적용되었으며, 바인더 함량을 기존 상용화 수준(3%)의 1/3인 1%로 줄여도 전기화학 성능이 유지되는 성과를 보였다.
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| ▲ ICEP 바인더의 구성요소와 이를 통해 구현한 양극 후막 전극의 모습. [포스텍 제공] |
이는 동일한 전극 내에서 보다 많은 활물질을 담을 수 있음은 물론, 불필요한 고분자 성분으로 인한 이온 전달 저항도 크게 줄일 수 있다는 점에서 상용화 가능성을 높인다.
실제 파우치셀 테스트 결과, ICEP 기반 후막 전극은 무게당 377.6 Wh, 부피당 1016.8 Wh의 높은 에너지 밀도를 나타냈다. 이는 동일한 크기와 무게 기준으로 상용 배터리 대비 약 1.5배 이상의 에너지 저장 성능을 의미한다. 전기차에 적용할 경우, 지금보다 1.5배 먼 거리를 주행할 수 있다는 계산이 가능하다.
박수진 교수는 "ICEP는 단순히 전극을 두껍게 만드는 기술이 아니라, 배터리 내부에서 일어나는 복잡한 전기화학 반응을 제어하고 효율을 높이는 핵심 플랫폼 기술"이라며 "고에너지 밀도 배터리의 상용화를 앞당길 중요한 전환점이 될 것"이라고 설명했다.
김연수 교수는 "후막 전극의 상용화를 가로막는 가장 큰 장벽은 공정의 안정성과 반복 내구성인데, 이번 연구는 이를 재료 수준에서 해결할 수 있음을 실험적으로 입증한 사례"라고 강조했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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