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“배터리 성능은 Up, 비용은 Down 할 수 있는 전극 개발”
“배터리 성능은 Up, 비용은 Down 할 수 있는 전극 개발”
  • 방완재
  • 승인 2020.08.26 09:26
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경희대 식물환경신소재공학과 이정태 교수 연구 성과
기존 리튬이온 배터리보다 면적당 용량 4~5배 높고, 생산 비용 획기적 감소
모습 c. 냉각과정에서 생성되는 다공성 구조 d. 전극의 내부 기공 구조를 보여주는 주사전자현미경 전극 제작 과정의 개념도. a. 전극 구성 요소의 혼합 과정 b. 구성 물질을 150℃의 온도에서 혼합해 균질화하는 이미지
이정태 교수
이정태 교수

 

우리가 사용하는 휴대기기를 선택할 때 고려하는 요소 중 하나는 사용 가능 시간이다. 휴대기기의 사용 가능 시간을 결정하는 요소는 ‘배터리’이다. 또 테슬라의 약진으로 전기 자동차의 사용이 늘어나면서 배터리의 중요성은 더욱 증가하고 있다.

경희대학교 식물환경신소재공학과 이정태 교수(사진)와 미국 케임브리지대학 Michael De-Volder 교수 공동 연구팀이 기존의 리튬이온 배터리보다 면적당 용량이 4~5배 높고 생산 비용도 획기적으로 줄일 수 있는 배터리 전극을 개발했다. 이 배터리 전극을 차세대 휴대기기나 전기 자동차에 사용하면 배터리가 차지하는 공간과 무게를 줄일 수 있다. 또 제작 비용의 절감으로 구매 비용을 낮출 수 있다.

이정태 교수 연구팀은 연구 결과를 ’Bi-Continuous Phase Separation of Lithium Ion Battery Electrodes for Ultra-high Areal Loading‘라는 논문으로 세계적 학술지인 <미국국립과학원회보(PNAS)>의 온라인판에 현지시간으로 8월 19일 게재했다.

배터리 성능에 주요한 전극 두께 늘려 성능 향상
배터리는 양극 물질로 코팅된 알루미늄 집전체와 음극 물질로 코팅된 구리 집전체 사이에 다공성 분리막을 배치한 뒤, 리튬 이온을 포함하는 전해질을 넣어 만든다. 이 사이에서 전기화학 반응이 발생해 에너지를 저장할 수 있다. 이때 구리, 알루미늄, 분리막은 배터리 구동에 굉장히 중요한 역할을 하지만, 직접 에너지를 저장하진 않는다. 이 부품의 사용을 줄이면 배터리의 부피가 줄어든다. 이를 통해 배터리의 무게, 부피, 가격을 줄일 수 있다.

가장 쉬운 전략은 전기화학 반응을 하는 활물질 코팅 두께를 늘리는 방법이다. 하지만 활물질이 두껍게 코팅된 후막 전극은 건조 중 쉽게 금이 가거나 알루미늄·구리 집전체에서 떨어져나가는 현상이 있어서 제조가 쉽지 않다. 또 두꺼운 전극에서의 전자와 이온의 이동이 어려워 전기화학 특성이 크게 감소하는 단점이 있다.

이정태 교수 연구팀은 두꺼운 활물질 코팅의 단점 극복을 위해 액체전해질과 바인더의 ‘열유도상분리’를 응용해 3차원적으로 서로 연결된 기공구조를 가진 두꺼운 전극을 개발했다. 고온에서 고분자 바인더, 활성물질, 카본블랙, 액체전해질을 교반하고 상온에서 원하는 두께의 전극으로 자유롭게 성형할 수 있다.

연구팀은 세계에서 가장 두꺼운 3㎜ 두께의 배터리 전극을 포함한 다양한 두께의 전극의 전기화학적 특성을 살펴봤다. 일반적으로 사용되는 전지의 전극 두께는 50㎛(㎛=100만분의 1m) 수준이다. 대부분의 연구에서는 두꺼운 전극에 기공 구조를 도입하기 위해 복잡하고 비용이 높은 다양한 템플레이팅 기법을 이용한다. 이러한 방법은 두꺼운 전극에서 전자와 이온의 이동현상을 이해하는 데는 도움이 됐지만, 상용화를 할 수 없어 연구용으로만 사용됐다.

효율적이고 두꺼우면서도 제조 비용 줄일 수 있어
연구팀이 개발한 전극은 효율적이고 두꺼우면서도 3차원 기공 구조가 있다. 또 제조 속도가 빠른 롤투롤(Roll-to-roll) 공정을 이용할 수 있어 연속적으로 전극을 제조할 수도 있다. 기존 배터리 제조 공정에 새로운 전극을 바로 활용할 수 있는 것이다. 이번 연구에서 개발한 2㎜ 전극을 사용하면 기존 배터리보다 75~80% 작은 양의 집전체와 분리막이 필요하다. 배터리의 소재 중 두 번째로 비싼 분리막과 다섯 번째로 비싼 구리의 사용량을 줄여 제조 비용도 획기적으로 줄일 수 있다.

또 기존 배터리 전극은 바인더를 녹이는 용매에 파티클을 섞어 코팅한 후 용매를 증발시키는 방식으로 제작된다. 새로운 전극은 추가 용매 사용 없이 전해질을 바로 사용해 따로 제거할 필요가 없어 공정의 속도 역시 빨라질 수 있다. 이 전극은 두껍고 유연해 향후에는 유연배터리에도 응용 가능할 것으로 보인다.

이정태 교수는 “이 전극을 처음 개발했을 때, 형상 및 기계적 특성이 기존 전극과 다르면서 전기화학적 특성이 뛰어나 매우 흥분했었다”라며 “전극을 두껍게 만드는 것 자체가 어려웠는데, 두께 조절도 자유자재로 가능하고, 유연하기도해서 다양한 응용이 가능할 것이라고 기대했다”라고 말했다. 연구팀은 전극을 만든 이후 다양한 저널에 연구 결과를 전달해 8번의 피어리뷰를 통해 의견을 받았다. 이러한 과정을 통해 추후 연구의 진행 방향을 결정할 수 있는 좋은 조언도 얻었다.

이정태 교수는 “앞으로도 케임브리지대학과의 공동연구를 계속해 새로운 형태의 차세대 전극에 관해 연구할 것이다”라며 “연구와 함께 학생들과 새로운 아이디어를 발굴하고 발전시켜, 많은 사람에게 도움이 되고 인류 발전에 기여할 수 있는 연구를 수행하고 싶다”는 포부를 밝혔다.


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