금오공과대학 정현민 교수

충남대학교 송승완 교수

고전압 고용량 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상하는데 성공했다. 이 연구는 송승완 교수(충남대학교),정현민 교수(금오공과대학교) 공동연구팀에 의해 성공 하였다.

바인더는 리튬 이차전지에 사용하는 중요 고분자 소재로 전극을 물리적으로 안정화하는 중요한 역할을 한다. 바인더로 사용되는 고분자 물질은 유기계 전해질과 화학적·화학적 거부 반응이 없어야 하고 동시에 안정적인 접착 특성을 유지해야 한다.

최근 전기자동차 개발과 상용화가 활발해지면서 상용 전지보다 긴 주행거리를 낼 수 있는 고에너지밀도 이차전지의 필요성이 부각되고 있다. 이에 따라 현재 상용 양극 소재로 주로 사용하는 리튬코발트산화물(LiCoO2), 니켈코발트망간(NCM)보다 더 높은 용량의 양극 소재가 필요했다.

차세대 양극 소재로 주목받는 과리튬(Lirich) 산화물은 리튬코발트산화물보다 두 배 정도의 에너지 용량을 낼 수 있지만 충전전압을 4.4V 이상 높여야 고용량을 획득할 수 있는데 이럴 경우 이차전지 내 열이 발생해 바인더의 접착력이 약해져 전지 성능이 빠르게 퇴화하는 문제점을 갖고 있다.

공동 연구팀은 고전압과 고온 조건에서도 별도의 전해질 첨가제를 사용하지 않고도 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 최초로 개발하여 기존의 리튬코발트산화물보다 두 배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 유지할 수 있도록 했다.

이번 연구로 개발된 불소화 폴리이미드 바인더 소재는 4.7V의 높은 충전 전압과 55℃의 고온의 가혹한 조건에서도 강한 접착력을 유지했으며, 과리튬 산화물 양극과의 컴비네이션만으로 안정된 고에너지밀도의 리튬이온전지를 만들어냈다. 충전 전압을 높이면 전해질이 산화 분해되고 양극과 전해질 사이 계면이 불안정해지는 종전의 바인더와 달리 연구팀이 개발한 불소화 폴리이미드 바인더는 양극에 표면 보호층을 형성해 계면안정화를 위한 별도의 전해질 첨가제가 필요 없는 것으로 알려졌다.


▲ 고전압 바인더를 적용한 양극의 계면 및 구조 안정화 효과
새로운 고전압 바인더(위 그림)를 적용한 과리튬 산화물 양극은 고전압 고온의 가혹한 충전조건임에도 바인더로부터 유도된 안정한 다중 표면보호층 형성으로 인해 양극구조 퇴화가 억제되고 충방전 성능이 획기적으로 향상되어 오래 쓰는 이차전지가 된다. 반면, 상용 바인더(아래 그림)를 적용한 양극에서는 고전압 고온에서 양극구조 퇴화와 전해질의 지속적 산화분해로 인해 이차전지 성능이 급속히 퇴화한다.

▲ 고전압 바인더 적용 양극을 탑재한 리튬이차전지 충방전 성능의 획기적 향상
신규 고전압 바인더를 적용한 과리튬 산화물 양극이 탑재된 완전셀 리튬이차전지가 고전압 고온의 가혹한 조건에서도 고용량 (위 그림), 고효율 (아래 그림)을 보이며 획기적으로 향상된 이차전지 성능을 낸다.



서울경제 파퓰러사이언스 편집부 / 장순관 기자 bob0724@hmgp.co.kr