충·방전 과전압 30% 감소 및 고율 충·방전 성능 40% 향상

▲ETRI 연구진이 전도성 셀룰로오스 바인더 소재와 전고체 이차전지 음극판을 관찰하고 있다.
▲ETRI 연구진이 전도성 셀룰로오스 바인더 소재와 전고체 이차전지 음극판을 관찰하고 있다.

[이투뉴스] 국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목받고 있는 전고체(All-solid state) 이차전지용 전도성 바인더 소재를 개발하는데 성공했다. 친환경적이면서 단순한 제조공정으로 에너지밀도를 극대화 할 수 있어 고성능 전고체 전지 구현에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 환경친화적인 소재인 셀룰로오스 기반의 새로운 전도성 바인더를 개발해 전고체 이차전지 음극에 적용한 결과 기존 비전도성 바인더 대비 충·방전 과전압은 약 30% 줄이고 고율 충·방전 성능은 약 40% 향상시켰다고 12일 밝혔다.

이번 연구 성과는 에너지소재 분야의 세계적인 학술지인 <에너지 스토리지 머티리얼즈> 최신호 온라인판에 게재됐다.

차세대 이차전지로 각광받는 전고체 이차전지는 전지 내부에서 이온을 전달하는 전해액을 고체로 바꿔 안전성과 에너지 저장 밀도를 높인 전지 시스템이다. 이때 배터리에서 음극은 양극에서 이동한 리튬이온의 저장소 역할을 한다. 

특히 음극재는 배터리의 충전속도와 수명 및 안정성을 결정하는 중요한 요소다. ETRI 연구진이 개발한 전도성 바인더는 음극에 적용되는 음극재의 일종이다. 적은 함량이지만 활물질에 도포돼 전하전달이 용이하게 접착력을 부여함으로써 전고체 배터리 성능을 보장한다.

다만 에너지전달 효율과 성능을 높이기 위해 활물질 입자간 계면 저항을 낮추는 이온 전도성 바인더 적용이 요구되고 있다.

연구진은 상용화 된 셀룰로오스계 소재를 이용, 대량생산에 최적화 된 산처리 공정을 통해 고품질 이온 전도성 바인더를 개발했다. 개발된 바인더를 흑연 음극 구성에 적용해 새로운 전극 구조를 만들었다. 

연구진의 전극 구조는 제조공정 단순화 및 에너지밀도 극대화를 위해 전해질 성분을 완전 배제했고 더 많은 활물질을 구성했다. 

또 다양한 전기화학 평가 및 분석을 통해 기존 비전도성 바인더 대비 충방전 과전압 약 30% 줄이고 고율 충방전 성능은 약 40% 늘리는 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. 또 고속 충전 시에도 에너지전달 효율을 유지해 충전 성능이 향상되는 효과가 있다. 

이차전지의 고질적 문제인 안전성과 안정성 해결을 위한 단초를 마련함으로써 전기차와 로봇, 에너지저장장치(ESS) 등 이차전지 활용성을 높이는데 기여할 것으로 기대하고 있다.

신동옥 ETRI 박사는 “전도성 바인더 소재를 전고체 이차전지에 적용함으로써 입자간 리튬 이온 전달 효율성을 극대화하는데 성공했고, 전극내 전해질 성분을 배제함으로써 기존 전지 공정을 활용할 수 있어 고성능 전고체 이차전지의 상용화 가능성을 높힐 것"이라고 말했다.

연구 총괄책임자인 이영기 박사는 “그동안 액체상 전해질로 가려져 있었던 전도성 바인더의 성능을 최대한 활용할 수 있는 전지시스템을 찾은 결과"라며 "개발된 소재로 차세대 리튬이차전지용 핵심소재 국산화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 ETRI 연구진은 전고체 전지용 고에너지밀도 전극 구현을 위해 고용량 음극 소재로의 확대 연구를 추진한다는 계획이다.

이상복 기자 lsb@e2news.com

▲ETRI 연구진이 전도성 음극 바인더를 적용한 전고체 이차전지 성능을 시험하고 있다.
▲ETRI 연구진이 전도성 음극 바인더를 적용한 전고체 이차전지 성능을 시험하고 있다.

 

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