REVIEW
전고체 배터리용
전도성 음극바인더를 개발하다
ETRI가 차세대 리튬이차전지로 알려진 전고체 이차전지용 전도성 바인더 소재를 개발하는 데 성공했다.
국내 연구진은 환경친화적인 소재인 셀룰로오스 기반의 새로운 전도성 바인더를 개발해
전고체(all-solid state) 이차전지 음극에 적용했다. 이는 친환경적이면서 단순화된 제조공정을 통해 에너지밀도를
극대화할 수 있어 고성능 전고체 이차전지를 구현하는데 기여할 전망이다.
에너지 전달 성능을 높여라
차세대 이차전지로 각광받는 전고체 이차전지는 전지 내부에서 이온을 전달하는 전해질을 액체에서 고체로 바꿈으로써 안전성과 에너지 저장 밀도를 높인 전지 시스템이다. 이는 바이폴라 전극 구성 및 고용량 리튬 금속 전극 적용이 가능해 높은 에너지밀도 구현이 가능하다.
배터리에서 음극은 양극에서 이동한 리튬이온의 저장소 역할을 한다. 특히, 음극재1)는 배터리의 충전 속도와 수명 및 안정성을 결정하는 중요한 요소다. ETRI 연구진이 개발한 전도성 바인더는 음극에 적용되는 음극재의 일종이다.
바인더는 전극 구성에 있어서 상대적으로 적은 함량이지만, 에너지 저장을 담당하는 소재인 활물질에 도포되어 전하전달이 용이한 접착력을 부여해 전고체 배터리의 성능을 보장한다. 다만, 에너지 전달 효율 및 성능을 높이기 위해 활물질 입자 간 계면 저항을 낮추는 이온 전도성 바인더의 적용이 요구되고 있다.
1) 음극재 이차전지 충전 시 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재, 흑연 등 탄소 물질이 가장 많이 사용된다
ETRI가 개발한 이온 전도성 바인더
ETRI는 상용화된 셀룰로오스계 소재를 이용해 대량생산에 최적화된 산처리 공정을 통해 고품질 이온 전도성 바인더를 개발했다. 연구진은 개발된 바인더를 흑연 음극 구성에 적용해 새로운 전극 구조를 만들었다. 연구진의 전극 구조는 제조공정 단순화 및 에너지밀도 극대화를 위해 전해질 성분이 완전히 배제되었으며, 더 많은 활물질로 구성되어 있다. 즉, 활물질 간 계면 저항을 낮추는 역할이 더욱 중요하다.
연구진은 다양한 전기화학 평가 및 분석을 통해 기존 비전도성 바인더 대비 충방전 과전압 약 30% 감소 및 고율 충방전 성능 약 40% 증가 등 흑연 활물질 입자 계면에서 전도성 향상 효과를 확인했다.
과전압이 감소하면 배터리 내부 저항이 감소하는 만큼 안정적 구동 및 배터리 수명 연장을 기대할 수 있다. 또한, 고속 충전 시에도 에너지 전달 효율을 유지해 충전 성능이 향상되는 효과가 있다. 지속 가능한 친환경 셀룰로오스계 소재를 활용한 것도 특징이다.
이온 전도성 바인더로 더 나아가다
ETRI 연구진이 이차전지의 고질적 문제인 안전성과 안정성 해결을 위한 단초를 마련함으로써 전기차, 로봇, 에너지 저장장치(ESS) 등 이차전지 활용성을 높이기 위한 연구는 점차 가속화될 전망이다.
연구진은 이번 연구를 통해 개발된 바인더 소재를 흑연 전극에 적용하는 것에 초점을 맞췄지만, 향후 전고체 전지용 고에너지밀도 전극 구현을 위해 고용량 음극 소재로의 확대 연구를 진행할 예정이다.
한편, 본 성과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’ 최신호 온라인에 게재되어 우수성을 입증받았다.
