다아라 매거진 _ 2017.08

기술뉴스

[Technical News] 분자도르래로 고용량 이차전지 수명 늘렸다

미래 전기자동차용 이차전지 핵심 전극 기술로 적용 기대돼

[Technical News] 분자도르래로 고용량 이차전지 수명 늘렸다 - 다아라매거진 기술뉴스
거시세계의 움직도르래는 움직도르래의 개수가 증가할수록 2n에 비례해 줄에 걸리는 장력이 감소한다. 같은 원리를 갖는 분자 도르래인 폴리로텍세인(Polyrotaxane)은 폴리아크릴산(PAA)라는 기존 고분자에 화학적으로 가교돼 본 연구의 배터리 바인더로 활용됐다.


최장욱 교수·코스쿤 알리 교수 연구팀(한국과학기술원)은 지난해 노벨화학상 연구내용인 분자 도르래 구조를 실리콘 전극에 최초로 적용해 이차전지 수명을 획기적으로 개선했다고 미래창조과학부(장관 유영민)·한국연구재단(이사장 조무제)은 밝혔다.

실리콘 음극은 상용화된 흑연 음극보다 5배 이상 리튬이온을 저장할 수 있다. 하지만 실리콘은 충전 과정에서 부피가 크게 늘어나 입자가 부서지거나 전극 전체가 벗겨지기도 한다. 때문에 실리콘 전극은 충전, 방전을 수 십 회 이상 반복하기 어려워 상용화 되지 못하고 있다.

연구팀은 분자 도르래 구조를 최초로 도입해 고용량 이차전지 고분자 바인더를 개발했다. 연구결과, 탄성이 높은 분자도르래가 실리콘 전극을 안정적으로 잡아줘서 부피 팽창을 500회 이상 반복해도 실리콘이 부서지거나 전극에서 떨어지지 않았으며 전극 용량도 상용 수준인 3밀리암페어아워/제곱센티미터(mAh/cm2)를 유지했다.

또한 움직도르래는 움직도르래의 개수에 비례해 줄에 걸리는 장력이 크게 낮아진다. 동일한 원리로 분자 도르래 바인더는 실리콘 입자의 팽창에 의해 바인더에 걸리는 장력을 크게 감소시켜줄 뿐만 아니라 400%까지 늘어날 수 있는 우수한 탄성 특성을 가진다. 이러한 원리로 분쇄된 실리콘 입자를 효과적으로 응집해 전극으로부터 이탈하는 것을 최소화함으로써 전극의 내구성을 획기적으로 개선했다. 이는 현재 IT 기기에 쓰이는 리튬이온전지의 수준을 상회하는 것이라고 연구팀은 설명했다.

최장욱 교수는 “이 연구는 지난해 노벨화학상을 수상한 분자 구조가 고용량 이차전지 소재 개발에 최초로 적용된 사례이며 미래 전기자동차용 이차전지의 핵심 전극 기술로 적용될 것으로 기대된다. 기초 연구를 바탕으로 응용 연구를 진행할 때 기존의 기술을 뛰어 넘는 획기적인 결과가 나올 수 있음을 보여주는 예다”라고 연구의 의의를 설명했다.

고용량 리튬이온전지에 사용되는 대부분의 전극 소재들은 단위무게 당 많은 리튬이온을 저장하기 때문에 큰 부피변화를 수반하게 되고, 이에 따라 전극의 장기 내구성이 크게 떨어져서 충·방전 횟수가 제한적이다.

분자도르래는 이러한 고용량 이차전지의 문제점을 해결해 충전·방전 횟수를 확보하는데 기여할 것으로 기대된다.

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