성균관대, 전기차 주행거리 늘릴 배터리 신소재 개발

기존보다 수명 2배 향상 … 생산설비 그대로 활용 가능해 상용화 기대

국내 대학 연구진이 기존 생산 공정을 그대로 활용하면서도 배터리 용량과 수명을 함께 높일 수 있는 신소재를 개발했다.

성균관대학교는 에너지과학과·미래에너지공학과 김기재 교수 연구팀이 서울대 최장욱 교수 연구팀과 공동으로 리튬이온 배터리용 ‘하이브리드 고분자 바인더’를 개발했다고 1일 밝혔다.

바인더는 배터리 전극을 이루는 활물질을 서로 단단히 붙잡아 주는 접착제 역할을 하는 소재다. 최근 전기차 주행거리를 늘리기 위해 전극을 더 두껍게 만드는 연구가 활발하다. 하지만 기존 바인더는 건조 과정에서 고르게 퍼지지 않아 전극이 갈라지거나 쉽게 부서지는 한계가 있었다. 이 때문에 배터리 수명과 성능도 함께 떨어졌다.

연구팀은 신축성이 뛰어난 스판덱스와 접착력이 우수한 폴리아크릴산(PAA)을 결합한 새로운 하이브리드 바인더를 개발했다. 스판덱스의 탄성과 폴리아크릴산의 접착력을 함께 활용해 두꺼운 전극도 균일하고 단단하게 유지하도록 한 것이 핵심이다.

실험 결과 새 바인더를 적용한 전극은 기존 소재보다 접착력이 약 2배 향상됐다. 또 충·방전 과정에서 리튬이온이 전극 내부를 더욱 빠르고 균일하게 이동하도록 도와 두꺼운 전극에서도 성능 저하를 크게 줄이는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이를 실제 전기차 등에 쓰이는 파우치형 배터리에 적용해 성능을 검증했다. 기존 바인더를 사용한 배터리는 약 95회 충·방전 후 성능이 크게 떨어졌지만, 새 바인더를 적용한 배터리는 200회 이상 충·방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 86.8%를 유지했다. 배터리 수명이 기존보다 2배 이상 늘어난 셈이다.

이번 기술의 또 다른 장점은 기존 습식 생산 공정을 그대로 사용할 수 있다는 점이다. 새로운 생산설비를 구축하지 않아도 적용할 수 있어 상용화 가능성이 높다는 평가다. 연구팀은 이를 통해 고용량 전기차 배터리는 물론 스마트폰 등 다양한 이차전지의 성능 향상에도 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

김기재 교수는 “전극을 두껍게 만들면 성능이 떨어지는 기존 한계를 스판덱스와 폴리아크릴산의 장점을 결합해 극복했다”며 “기존 생산라인을 그대로 활용할 수 있는 만큼 산업 적용성이 높고, 전기차 주행거리 향상에도 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.