[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

해수 전지란 차세대 고밀도 에너지 저장 장치로 주목받고 있는 수계 금속-공기 전지의 일종으로, 바닷물을 전해질로 사용하여 전기를 저장하고 꺼내 쓸 수 있는 에너지 저장 시스템이다. 특히, 지구상에서 가장 풍부한 자원 중 하나인 바닷물을 활용함으로써, 경제성과 친환경성을 동시에 갖춰 다양한 응용 분야에서의 활용 가능성이 기대되고 있다.

바인더는 전극 소재들의 결착력을 높여 전지 성능 개선이 가능한 소재 중 하나이다. 현재 상용화된 바인더는 주로 불소 계열 고분자(PVDF, Nafion 등)로, 이들은 전기 절연성이 크고 수중 환경에서 접착력이 급격히 저하되는 문제가 있다. 특히 수계 환경에서는 이러한 한계가 더욱 두드러지며, 전극 구조의 안정성 및 전지 수명에 부정적인 영향을 준다. 게다가 유럽연합(EU)의 과불화화합물(PFAS) 규제가 강화되면서, 기존 바인더 소재의 사용이 제한되고 있다.

이에 따라 신규 바인더 소재에 대한 필요성은 꾸준히 증가하고 있으며, 이를 극복하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 본 연구팀은 반결정성 고분자 구조를 기반으로한 소재 설계를 통해 해결법을 찾고자 했으며, 결정성과 비결정성 영역의 조화를 통해 수중에서도 우수한 접착력을 유지하면서, 동시에 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 신규 소재를 개발했다.

2.연구내용

해수 전지의 수계 환경에서 기존 바인더 (PVDF, Nafion 등)의 한계를 극복하고 전기 전도성과 접착력을 동시에 확보할 수 있는 차세대 고분자 바인더를 설계하고 전기 화학 성능을 향상 시켰다.

일반적으로 사용되는 고분자 바인더는 전자의 이동이 억제되는 절연체 특성을 가지고 있으며 특히 수중에서 낮은 접착력으로 촉매 및 집전체와 탈착되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서 합성된 고분자 바인더 (DPTA631)는 카테콜 (catechol), 폴리에틸렌글리콜 (PEG), 안트라센 (anthracene) 아크릴레이트 기반의 단량체를 사용하여 합성되었다. 고분자 설계 단계에서 각 단량체들은 수중 환경에서도 높은 접착력을 유지하고, 친수성으로 인한 전해질 젖음성을 확보하고, 우수한 전기 전도성을 갖도록 사용됐다.

안트라센 그룹의 π-π 결합을 통하여 형성된 반결정성 구조는 3차원적으로 효율적인 전자 이동 통로를 제공하여 바인더의 전기 전도성을 향상 시킨다. 다양한 결정성 분석 (GIXD, POM, TEM)을 통하여 안트라센 그룹이 수중 환경에서 반결정성을 쉽게 유도하는 것을 확인하였으며, 면적 저항 측정 결과 상용 바인더 PVDF 대비 최대 40% 이상 낮은 저항 값을 보였다.

개발된 바인더의 물 접촉각은 최대 16°로, 표면이 물과 잘 젖는 친수성 특성을 가진다. 이로 인해 바인더가 수중에서도 전극에 잘 퍼지고 촉매를 집전체에 고르게 도포하여, 우수한 젖음성과 코팅성을 확보할 수 있었다.

표면 힘 측정 장비 (Surface forces apparatus)와 전단 강도 실험 (Lap shear test)을 통하여 개발된 바인더의 미세 및 거시적 접착력을 확인하였으며, 수중에서 금속 촉매 및 집전체와 결합력을 유지하며 성능 저하 없는 안정된 전극 구조를 구현했다.

다양한 전기화학 분석을 통해 개발된 바인더를 적용한 해수전지는 PVDF와 비교했을 때 충·방전 100 사이클 기준으로 과전압이 약 66% 감소했고, 전체 충·방전 기준으로는 최대 52~55% 줄어드는 효과가 확인됐다. 최대 출력은 약 96% 향상되었으며, 에너지 효율은 92%로, 기존 대비 약 26% 증가한 수치다. PVDF 바인더는 초기 구동부터 120시간 동안 급격한 성능 저하가 나타난 반면, 새 바인더는 400시간 이상 안정적인 작동을 보여 약 3.3배의 수명 향상을 입증했다. 또한 1,200시간 이상의 장기 안정성 실험에서도 성능 저하 없이 안정적인 작동을 유지했다.

결과적으로 본 연구는 구조-기능 통합형 고분자 바인더의 설계를 통하여, 전도성, 접착력을 동시에 확보할 수 있음을 보여주었으며, 해수 전지를 포함한 다양한 수계 금속-공기 전지에 적용 가능한 고기능성 바인더 플랫폼을 제시했다.

3.기대효과

기존 바인더 개발에서 동시에 달성하기 어려웠던 전기 전도성과 우수한 접착력의 양립을 가능하게 하기 위해, 다양한 단량체 구조와 조성의 최적화를 통해 새로운 소재를 제안했다. 전도성 단량체의 도입으로 효과적인 전자 이동 통로를 제공하는 무작위 배향을 갖는 결정성이 형성된 것과 이를 통해 향상된 전기 전도성을 입증했다.

전도성 그룹 도입과 반결정성에도 불구하고 접착력의 유의미한 감소 없이 유지되었으며, 이는 다양한 스케일에서의 접착력 측정과 통계 분석을 통해 뒷받침 됐다. 이러한 결과는 고분자 바인더 구조 설계에 있어 새로운 설계 원리를 제시하였다. 향후 다양한 구조와 기능을 갖춘 새로운 바인더에 관한 연구에 기여할 것이며, 나아가 수계 금속-공기 전지의 실용화에 있어 진전을 가져 올것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.해수 전지 (Seawater battery, Sodium-air battery)

바닷물을 양극부 전해질로 사용하는 이차전지를 말함. 해수를 사용하기 때문에 자원 이용 측면에서 매우 경제적이며, 나트륨 기반이므로 리튬보다 자원이 풍부하고 저렴하다는 장점이 있다. 집전체(고체), 해수 (액체), 산소 (기체)가 맞닿아 복잡한 반응계가 형성되며, 고에너지 밀도와 장시간 저장 특성으로 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다.

2.바인더 (Binder)

배터리를 구성하는 소재들을 결합하고, 전극과 집전체 간의 기계적 안정성을 유지해주는 고분자 재료이다. 일반적으로 PVDF, CMC, SBR 등의 고분자가 사용되고 있다. 특히 바인더의 접착력, 기계적 물성, 화학적 안정성이 배터리 성능과 수명에 직접적인 영향을 준다.

3.반결정성 고분자 (Semi-crystalline polymer)

결정(crystallinity) 영역과 무정형(amorphous) 영역이 혼재한 고분자를 말한다. 결정 영역의 우수한 전도성과 무정형 영역의 유연성 및 가공성을 부여한다. 이러한 두 영역을 조절하여 기능성 고분자 설계에 활용된다.

4.GIXD (Grazing incidence x-ray diffraction)

얇은 박막이나 표면에 가까운 영역의 결정 구조를 분석하는 x-ray 회절 기법이다. 매우 작은 입사각에서 x-ray를 시료에 조사하여 표면 근처 수십 나노미터 두께의 결정 구조만 선택적으로 분석할 수 있다. 방향성 배향, 층간 간격, 결정도 등의 정보를 얻을 수 있다.

5.표면 힘 측정 장비 (Surface forces apparatus)

이 장비는 일반적으로 마주보는 두 표면 사이의 거리 및 힘을 정밀하게 제어하고 측정할 수 있으며, 이를 통해 접착, 윤활, 마찰 등의 기초 물리적 현상에 대한 연구가 가능하다.

6.전단 강도 측정 (Lap shear test)

접착된 두 재료 사이에 수평 방향의 힘을 가하여, 접착부의 전단 파괴 강도를 평가하는 시험 방법이다. 이 시험은 접착제의 성능이나 재료의 계면 접합 품질을 정량적으로 파악하는 데 사용되며, 시험편이 겹쳐진 형태로 준비되어 일정한 속도로 힘이 가해진다.

7.과전압 (Overpotential)

전기 화학 반응이 실제로 일어나기 위해 이상적인 전위보다 추가로 요구되는 전위 차이를 의미한다. 과전압은 배터리 효율을 낮추는 요인이며, 이를 줄이기 위해 촉매나 전극 구조의 최적화가 중요하다.

[붙임] 그림설명

그림 1 해수 전지용 고분자 바인더 제작의 개요 해수 전지 및 개발된 바인더 적용 모식도 (a). 고분자 바인더의 분자 구조식 (b).

그림 2 전기 화학 테스트 결과 (a) 상용 바인더 (PVDF)와 전도성 그룹 유(DPTA631)무(DPA64)에 따른 충·방전 100사이클 테스트 결과. 각 바인더가 적용된 전극의 (b) 과전압, (c) 에너지 효율 및 (d) 최대 출력 결과. 개발된 바인더 (DPTA631)는 충·방전 100사이클에서 PVDF 대비 과전압 66%, 전압 변화 폭 87% (충·방전 안정성 지표) 감소, 에너지 효율 26%, 최대 출력 95% 향상 결과를 나타냄.

그림 3 개발된 바인더의 결정성 분석 결과 (a) GIXD 이미지, (b) 고분자 바인더가 코팅된 표면 사진 및 편광 현미경(POM) 사진, (c) 선택 영역 전자 회절 이미지. 개발된 바인더의 경우 전도성 그룹의 π-π 결합으로 인해 결정성이 형성 되었으며, GIXD 분석을 통해 35.7 nm의 결정 크기를 확인함. 특히, 무작위 배향성을 나타내어 3차원적으로 효율적인 전자 이동 통로를 제공함.

그림 4 개발된 바인더의 전기 전도성 평가 결과 및 모식도 (a) 바인더가 코팅된 전극의 면적 저항 측정 결과. (b) 해수 전지 양극 내 고분자 바인더를 통한 전자 이동 메커니즘 모식도, 전도성 그룹의 π-π 결합으로 인해 효율적인 전자 이동으로 유의미한 전기 전도성 향상 결과를 나타냄.

그림 5 개발된 바인더의 접착 메커니즘 및 접착력 측정 결과 (a) 표면 힘 측정 장비 (미세 규모) 및 (b) 전단 강도 실험 (거시적 규모)을 통한 접착력 측정 모식도. (c) 바인더와 촉매의 혼합물 FT-IR 분석 결과. 촉매 증가량에 따라 하이드록실기(-OH)가 감소하는 것을 통해 바인더와 촉매가 금속-배위 결합(Metal-coordination bond) 메커니즘을 확인함. 미세 규모 (d) 및 거시적 규모 (e) 에서 정량적 접착력 측정값과 통계 분석 결과.