300회 충·방전 후에도 71% 용량 유지, 차세대 배터리 수명 늘린다!

공동 제1저자 가천대 화공생명배터리공학부 살룬케(Tejaswi T. Salunkhe·인도) 박사, 부산대 고분자공학과 프레만(Anjali N. Preman·인도) 박사,

공동 교신저자 가천대 화공생명배터리공학부 김일태 교수, 부산대 고분자공학과 안석균 교수(사진 좌측부터)

리튬이온 배터리의 핵심 소재인 실리콘 음극재의 최대 단점인 부피 팽창 문제를 해결할 신기술이 개발됐다.

가천대학교 화공생명배터리공학부 김일태 교수 연구팀과 부산대학교 고분자공학과 안석균 교수 연구팀이 공동으로 실리콘 음극재의 부피 팽창을 효과적으로 억제하는 바인더를 개발해 고용량·장수명 리튬이온 이차전지 구현에 성공했다.

이 연구는 논문명 “Better Together: Integrating Adhesion and Ion Conductivity in Composite Binders for High-Performance Silicon Anodes(고성능 실리콘 음극용 복합 바인더의 접착력과 이온 전도도 통합)”로, 재료화학분야 국제 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A (IF: 10.7)’에 지난해 12월 게재됐으며, 커버논문(Inside Front Cover 논문)으로 선정됐다.

실리콘 음극재는 높은 에너지 밀도를 제공하지만, 충·방전 과정에서 약 400%에 달하는 부피 팽창이 발생해 전극 구조 안정성이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 PAA(poly(acrylic acid))와 PSUOH(poly(sodium 4-styrenesulfonate-co-ureido-pyrimidinone methacrylate-co-hydroxyethyl methacrylate))로 구성된 복합 바인더를 개발했다. PAA는 강한 접착력을, PSUOH는 높은 이온 전도성과 기계적 안정성을 제공하며, 두 물질 간의 화학적 가교 결합을 통해 전극의 내구성과 전기화학적 성능을 향상시켰다.

그 결과, 실리콘 음극재는 초기 방전 용량 3572 mAh/g을 기록했으며, 300회 충·방전 후에도 71% 용량 유지율을 달성했다.

김 교수는 “가천대의 전지 설계 기술과 부산대의 고성능 바인더 합성 기술이 결합해 실리콘 기반 리튬이온 이차전지의 성능을 극대화할 수 있었다”며 “이번 연구는 고성능 실리콘 음극용 다기능 바인더 개발에 새로운 방향성을 제시했으며, 지속적인 연구를 통해 산업 현장에서 활용할 수 있는 실용적인 바인더 개발을 추진할 계획이다”고 밝혔다.