▲ 새로운 고전압 바인더(위의 그림)을 적용한 양극과 상용바인더(아래그림)을 적용한 양극의 비교. 새로운 바인더는 고온·고전압에서도 안정한 다중 표면 보호층을 형성해 양극구조 퇴화를 억제한다. .

국내 연구진이 고온·고전압에서도 안정적인 리튬이온전지(LIB) 양극용 바인더 소재를 개발해 전기차 주행거리를 늘리는데에 큰 도움을 줄 전망이다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 송승완 충남대학교 교수와 정현민 금오공과대학교 교수공동연구팀이 고전압 고용량 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

전기자동차 수요의 급증과 시장 확대가 예상됨에 따라, 현재의 상용 전지보다 더 긴 전기자동차 주행거리를 낼 수 있는 ‘고에너지밀도’ 이차전지의 필요성이 부각되고 있다.

이를 위해서는 상용 이차전지에 사용되는 양극소재인 리듐코발트옥사이드(LiCoO2), 니켈코발트망간(NCM) 등 용량 한계를 돌파하는 획기적으로 높은 용량을 내는 소재가 필요하다.

차세대 양극 소재로 주목받는 과리튬(Li-rich) 산화물은 리튬코발트산화물보다 두 배 정도의 에너지 용량을 낼 수 있다. 고용량을 획득 하려면 충전전압을 4.4V이상 높여야한다. 하지만 이 경우 이차전지 내 발생한 열로 접착력이 약해져 성능이 빠르게 퇴화한다.

이에 연구팀은 고전압·고온 에서도 별도의 전해질 첨가 없이 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 최초로 개발해 기존의 리튬코발트산화물보다 두 배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 획득했다.

이 연구에서 개발한 불소화 폴리이미드 바인더 소재는 4.7V의 높은 충전 전압과 55℃의 고온의 가혹한 조건에서도 강한 접착력을 유지했으며, 과리튬산화물 양극과의 혼합으로 안정된 고에너지밀도의 리튬이온전지를 구현했다.

또한 기존의 바인더는 충전 전압을 높이면 전해질이 산화 분해되고 양극과 전해질 사이 계면이 불안정해졌지만 연구팀이 개발한 불소화 폴리이미드 바인더는 양극에 표면 보호층을 형성해 계면안정화를 위한 별도의 전해질 첨가제가 필요없다.

송승완 교수와 정현민 교수는 “이번 연구는 높은 전압과 고온 환경에서도 성능을 유지하는 바인더를 개발해 양극 소재의 용량과 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상한 최초의 사례”라고 밝혔다.

이어 “기존 양극 제조공정에도 바로 적용 가능하며, 이를 통해 더 오래 사용할 수 있는 이차전지와 주행거리가 길어진 전기자동차를 생산할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구 성과는 교육부·한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업과 충남대학교 자체연구비의 지원으로 수행됐으며 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 메트리얼즈(Advanced Functional Materials) 1월10일 논문으로 게재됐다.