보도자료

2023. 12. 12 (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

전기전도성 72배 높인 바인더로 배터리 성능 향상시킨다!

UNIST 강석주·이현욱 연구팀, 높은 전기전도성의 고분자 바인더 개발
도전재 없이 적용 가능해… Energy Storage Materials 게재

전극과 전도성 물질 사이의 접착제 역할을 하는 고성능 바인더가 새로 개발됐다. 높은 전기전도성의 물질로, 배터리 충·방전 속도에 영향을 미치는 음극 분야에서 다양하게 사용될 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 강석주 교수팀과 이현욱 교수팀은 높은 전도성 고분자 중 가장 대표적인 물질인 PEDOT:PSS와 폴리에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 고분자를 혼합해 전기전도도가 높고 기계적 성질이 우수한 실리콘 음극용 바인더 기술을 개발했다.

PEDOT:PSS는 유연한 성질을 가지며 빠르고 간단한 제작 공정으로 대량생산이 가능한 고분자다. 하지만 전기전도도가 비교적 낮아 전극과 전도성 물질 사이에 접착제 역할을 하는 ‘바인더’로 사용할 경우 전도성 물질인 ‘도전재’를 사용해야만 배터리 구동이 가능했다.

연구팀이 개발한 고전도성 고분자 바인더는 도전재 없이도 구동할 수 있다. 제한된 부피 안에 리튬을 저장할 수 있는 실리콘 음극의 양을 증가시켜 높은 에너지 밀도를 갖는 실리콘 음극 기반 이차전지를 구현할 수 있다.

강석주 교수는 “상용화된 고분자를 활용한 높은 전기전도도의 고분자 바인더를 개발해 실리콘 음극 기반 이차전지의 성능을 향상할 수 있다”며 “개발된 혼합물은 기존 대비 약 72배의 전기전도도를 보였다”고 설명했다.

연구팀은 새롭게 개발된 고분자 바인더는 높은 전기전도성 외에도 기계적 성질이 매우 우수하다. 실리콘 음극의 최대 단점으로 알려진 부피팽창 및 수축 시에도 효과적으로 바인딩 역할을 해 100번의 충·방전에도 기존 대비 75%의 배터리 용량을 유지하며 높은 성능을 확인할 수 있었다.

제1 저자인 공녕주 에너지화학공학과 연구원은 “PEDOT:PSS의 효과적인 상변화로 전기전도성과 기계적 성질을 향상시켜 높은 에너지 밀도를 가지는 실리콘 음극을 개발했다”며 새로운 고분자 개발을 통한 배터리 성능 향상을 강조했다.

이현욱 교수는 “개발된 고분자 바인더를 이용한 실시간 리튬 저장 실험을 통해 높은 안정성을 확인했다”며 “앞으로 실리콘 음극 연구 분야 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 에너지 스토리지 머티리얼즈 (Energy Storage Materials)에 2023년 11월 17일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP), 과학기술정보통신부(MIST)의 지원을 받아서 이뤄졌다.

(논문명: Promoting Homogeneous Lithiation of Silicon Anodes via the Application of Bifunctional PEDOT:PSS/PEG Composite Binders)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 강석주 교수 (052)217-3021

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

차세대 음극재로 주목받는 실리콘은 EV용 이차전지의 핵심 소재로 주목받고 있다. 실리콘 음극은 흑연의 10배에 달하는 용량으로 고에너지 밀도를 실현할 수 있으며, 지구상에 풍부하게 존재하는 물질이기 때문에 그동안 학교와 연구소에서 많은 연구가 활발하게 진행되어왔다.

그러나 실리콘을 상용화하기 위해서는 크게 두 가지 문제를 해결해야 한다. 첫 번째로 리튬과 결합할 때 약 300% 이상의 부피팽창이 발생하는데, 이에 따라 전극의 단락, 불안정한 SEI(Solid Electrolyte Interphase) 층 형성과 이로 인한 불필요한 리튬의 소모이다. 두 번째로 실리콘이 가지고 있는 반도체적 성질 때문에 기존 흑연 음극재와는 달리 전도도가 좋지 않다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도전재를 추가로 사용하여야 하는데, 이에 따라 에너지 밀도에 손실이 발생한다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 고 전도도를 가지는 고분자 바인더 개발로 도전재를 필요 없으며 동시에 기계적 성질을 높여 부피팽창 시 발생하는 단락 문제를 해결할 수 있는 고성능 바인더를 제안했다.

2. 연구내용

상용화된 전도성 고분자인 PEDOT:PSS는 전도도가 낮아 배터리 바인더로 사용 시 도전재를 추가로 필요했다. 본 연구팀은 기존 PEDOT:PSS 고분자에 Poly ethylene glycol (PEG)을 혼합하여 상변화를 유도하여 전기전도도를 약 72배 증가시켰다. 이후, SEI 층 형성 과정에서 다시 한번 상변화를 유도하여 전도도를 더욱 증가시킬 수 있도록 디자인했다. 또한 PEG의 혼합 효과로 고분자의 기계적 성질 즉, 접착력과 연성을 증가시켜 실리콘 음극의 부피 변화를 효과적으로 조절하고, 리튬의 이동이 원활할 수 있도록 통로를 제공했다. 이러한 메커니즘을 GIWAX, operando-OM 등과 같은 사후 및 실시간 측정 방법을 통해 밝혔다. 연구팀이 개발한 바인더를 사용한 실리콘 음극은 기존에 널리 사용되는 SBR CMC 바인더를 사용한 음극 대비 100사이클 후에도 약 4배에 달하는 용량이 유지되었다.

3. 기대효과

이차전지 바인더로 사용되는 고분자는 비전도성이기 때문에 존재 자체로 전극의 전도도를 저하한다. 특히, 실리콘 음극의 경우 부피팽창 문제로 인해 상대적으로 많은 바인더의 양을 필요로 하는데, 이를 해결하기 위해 도전재의 양도 많아져야 한다. 이는 제한된 부피 내에 활물질의 양이 줄어들어 에너지 밀도가 낮아지는 치명적인 단점을 일으킨다. 그러나 전도성 고분자 바인더는 고분자가 도전재 역할도 함께하기 때문에 활물질의 양을 늘려 전극 전체의 용량을 증가시켜 고에너지 밀도 배터리를 구현하는 데 필수적인 구성요소로 이바지할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate

상용화된 전도성 고분자.

2. SEI 층 (Solid Electrolyte Interphase)

전극과 전해액 사이에 형성되는 막

3. GIWAX: Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering

스침각 X-ray 분석법

4. Operando-OM

실시간 광학현미경 분석법

5. SBR CMC (Styrene-butadiene rubber (SBR)/sodium salt of carboxymethyl cellulose)

실리콘 음극에 주로 사용되는 바인더

[붙임] 그림설명

그림1. 실리콘 음극재 바인더로 전도성 고분자를 사용했을 때의 장점

a) 활물질 외의 물질을 감소시켜 에너지 밀도 향상, b) 사이클 구동 중에 부피팽창이 반복되더라도 도전재의 접촉이 유지되어 전도도 유지, c) PEG의 혼합으로 PEDOT:PSS의 전도도를 향상시키는 메커니즘

그림2. 전도도 및 물성 향상에 대한 고도 분석

전도도 향상 메커니즘을 설명하기 위한 PEG 혼합 비율에 따른 PEDOT:PSS의 a) 2D GIWAX 패턴, b, c) 1D GIWAX 패턴, d) 전도도 측정 결과, e) 연성 향상을 측정하기 위한 각 바인더의 응력-변형 곡선

그림3. Operando-OM을 활용한 사이클 중의 전극 분석

a) Operando-OM의 구조, b) SBR-CMC 와 연구팀의 바인더를 사용한 실리콘 전극의 lithiation 과정 비교, c) 시간 함수로 나타낸 팽창 정도 및 반응이 일어난 영역을 나타낸 그래프

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