스판덱스 기반의 새로운 '하이브리드 고분자 바인더' 개발로 고에너지 밀도 배터리용 고성능 후막 전극 완성

기존 대비 배터리 수명 2배 이상 향상… 대량 생산 가능한 습식 공정으로 상용화 기대감 높여

▲ (왼쪽부터) 에너지과학과 김기재 교수, 서울대 최장욱 교수, 성균관대 박보근 연구원

에너지과학과 및 미래에너지공학과 김기재 교수 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 리튬 이온 배터리의 에너지를 획기적으로 높이면서도 수명을 늘릴 수 있는 고성능 후막 전극용 '하이브리드 고분자 바인더'를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 전기차와 스마트폰의 배터리 용량을 늘리기 위해 전극을 두껍게 만들 때 습식공정에서 발생하는 고질적인 바인더 분산문제와 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 기술을 제시했다.

최근 배터리 학계와 산업계에서는 전기차의 주행거리를 늘리기 위해 배터리 내부의 핵심 부품인 전극에 니켈 성분이 많은 고용량 양극 소재(Ni-rich layered cathode)를 더 많이, 더 두껍게 쌓는 '고로딩 전극' 기술을 활발히 연구하고 있다. 그러나 기존에 쓰이던 PVDF 바인더 소재는 두꺼운 전극 제조시 건조 과정에서 바인더가 위로 떠오르거나 전극이 쉽게 갈라지고 부서지는 치명적인 약점이 있었다. 이 때문에 배터리의 전극의 기계적 강도 악화 및 리튬이온 전도도 약화로 배터리 수명이 급격히 줄어들었다.

▲ DHP 하이브리드 고분자 바인더의 구조 및 배터리 전극 보호 원리

김기재 교수 공동 연구팀은 우리가 흔히 입는 신축성 좋은 옷감인 '스판덱스(SPDX)'와 '폴리아크릴산(PAA)'이라는 두 가지 전혀 다른 성질의 고분자를 복합화하여 새로운 형태의 '듀얼 액팅 하이브리드 고분자(DHP)' 바인더로 전극에 적용했다. 이 새로운 바인더는 스판덱스의 우수한 신축성 및 폴리아크릴산의 전극 내부 물질과의 우수한 상호작용 덕분에 두꺼운 전극을 만들어도 전혀 갈라지거나 부서지지 않는 단단한 구조를 유지하게 돕는다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 바인더를 사용한 전극은 기존 PVDF 바인더보다 무려 2배 가까이의 강한 접착력을 나타냈다. 특히 초기 충·방전 과정에서 리튬 이온의 이동을 촉진하는 'Li-PAA 인터페이스'를 자발적으로 형성하여, 전극 내부에서 리튬 이온이 더욱 빠르고 균일하게 이동하도록 함으로써 후막 전극의 전기화학적 성능을 향상시키는 새로운 작동 메커니즘을 확인했다.

▲ DHP 하이브리드 고분자 바인더의 화학적 결합 원리 및 분자 상호작용 분석

나아가 연구팀은 이 신소재 바인더를 적용해 실제 산업에서 쓰이는 형태인 대용량 '파우치형 배터리 셀'을 제작해 검증을 진행했다. 그 결과, 기존 바인더를 사용한 배터리는 약 95회 만에 수명이 다해 용량이 급격히 떨어진 반면, 연구팀이 개발한 하이브리드 바인더를 적용한 배터리는 200회가 넘는 충·방전 반복 후에도 초기 용량의 86.8%를 안정적으로 유지하며 수명이 2배 이상 향상되는 우수한 성능을 입증했다.

이번 연구 성과는 제조 공정을 바꾸거나 배터리 설비를 새로 구축할 필요없이, 기존의 '습식 제조 공정'을 그대로 사용하면서 고용량 배터리를 만들 수 있어 산업적 가치가 매우 높다. 또한 이번 기술은 고분자의 물리·화학적 특성과 이온 전달 메커니즘을 효과적으로 활용하여 실제 산업의 난제를 해결한 모범적인 사례다.

▲ DHP 하이브리드 바인더 기반 고용량·고부하 NCM 전극의 구조 및 전기화학적 성능 분석

김기재 교수는 "그동안 전극을 두껍고 크게 만들 때 바인더 및 공정상 문제로 배터리의 성능이 제한되는 한계가 있었는데, 스판덱스와 폴리아크릴산의 장점을 효율적으로 결합해 이를 극복했다"며 "이번에 개발한 바인더 기술은 최근 차세대 배터리 제조기술로 주목받는 건식 공정을 도입하지 않고도 기존 습식 생산 공정을 그대로 활용할 수 있어 산업 적용성이 높으며, 차세대 전기차의 주행거리 향상에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다."고 전했다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 '리튬메탈음극 범용적 활용을 위한 모듈형 LEA(Lithium Electrode Assembly) 핵심기술 개발' 및 '한계돌파형 차세대 이차전지 산업수요 대응을 위한 미래선도 인재 양성' 연구과제를 통해 수행되었다.

※ 논문명: Wet-processed high-areal-capacity electrodes via transformative spandex–poly(acrylic acid) binder toward 450 Wh kg-1 lithium-ion batteries

※ 저널명: Nature Communications

※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41467-026-76014-4

출처 : 에스프레스(S-PRESS)(https://www.spressnews.com)