인하대학교, 차세대 리튬이온전지 최적화 고분자 바인더 구현

어드밴스드 에너지 머티리얼즈 게재
전기차 생산·개발에 이바지할 것

(사진 왼쪽부터)김희중 인하대학교 고분자공학과 교수와 심지민 서울대학교 화학교육과 교수/제공=인하대

인하대학교(총장 조명우)는 김희중 고분자공학과 교수 연구팀이 차세대 리튬이온전지에 적합한 고분자 바인더 구조를 설계해 에너지밀도가 높은 리튬이온전지를 구현했다고 26일 밝혔다.

김희중 교수 연구팀은 심지민 서울대학교 화학교육과 교수 연구팀과 공동연구를 통해 이같은 연구성과를 달성했다.

고분자 바인더는 이차전지 전극에 필요한 고분자 소재다. 배터리 용량을 내는 활물질 분말과 전자 이동을 돕는 도전재 분말을 고르게 분산시키고 집전체 기판에 붙이는 '접착제' 역할을 한다. 이때 고분자 바인더는 용량에 기여하지 않는 소재이기 때문에 소량만 사용해도 전극 구성 물질들을 강하게 결착시키는 특성이 있다.

연구팀은 기존에 연구되고 있는 일률적인 고분자 구조에서 벗어나 구조 모듈화를 통해 결착력과 분산성이 최적화한 고분자 바인더를 합성했다. 기계적으로 안정된 고분자 뼈대를 기반으로 결착성과 분산성이 우수한 분자들을 가지로 가지는 고분자 구조를 설계해 소량의 바인더 사용으로도 전극 물질을 고르게 분산시키고 접착하는 최적의 물성을 구현했다. 해당 바인더는 기존 상용 PVDF(폴리비닐리덴 플로라이드) 바인더와 비교했을 때 매우 우수한 배터리 용량·수명을 보이는 것으로 나타났다.

연구팀은 개발한 고분자 바인더가 소량만 사용해도 우수한 접착력을 가지는 특성을 이용해 고용량 하이니켈(High-Ni) 양극 활물질을 다량으로 함유하는 두꺼운 전극을 제조한 뒤 에너지 밀도가 높은 리튬이온전지를 구현하는 데 성공했다. 이는 한 번 충전으로 장거리를 주행할 수 있는 전기차 생산·개발에 이바지할 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 에너지 재료 공학 분야 최고 권위 SCI(E) 저널지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 'Striking a Balance: Exploring Optimal Functionalities and Composition of Highly Adhesive and Dispersing Binders for High-Nickel Cathodes in Lithium-Ion Batteries'(구조 모듈화 및 최적화를 통한 고결착, 고분산성 고분자 바인더 구조 설계 및 하이니켈 양극 탑재 리튬이온전지로의 응용)을 주제로 게재됐다. 어드밴스드 에너지 머티리얼즈는 재료 공학 분야 3% 수준 (Impact Factor: 27.8)의 저널지로 에너지 재료 분야에서 최고 권위 해외 학술지로 평가받는다.

김희중 인하대학교 고분자공학과 교수는 "공동연구팀이 가지고 있는 고분자 합성 기술과 차세대 이차전지 기술을 결합해 실제 산업 제품에 적용할 수 있도록 연구를 이어갈 계획"이라며 "활발한 해외 학술활동과 교류를 통해 글로벌 친환경 트렌드를 선도하는 연구도 진행할 것"이라고 말했다.

한편, 김희중 교수는 차세대 이차전지뿐 아니라 'BK21 미세플라스틱 전주기 제어 융합 교육연구단', '화이트바이오산업 전문인력양성사업' 등에 참여하는 등 다양한 친환경 고분자 연구를 수행하고 있다. 지난해 7월 미국 화학회가 발간하는 친환경 화학·공학 분야 권위지인 ACS Sustainable Chemistry & Engineering의 젊은 에디터(Early Career Editorial Board)로 선정된 바 있다. 인천=주관철 기자 orca2424002@