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생기원·DGIST 공동 연구팀,‘수계아연이온전지용 후막 양극기술’개발

- 낮은 면적당 용량 문제 해결해 차세대 이차전지 상용화 가능성 기대

□ 소형 모바일 기기 중심이던 이차전지가 전기자동차, 에너지저장시스템(ESS) 등 중대형 기기에 적용되면서 미래 에너지산업의 핵심으로 부각되고 있지만, 최근 ESS 화재사고가 빈번해지며 안전성 논란이 커지고 있다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)과 대구경북과학기술원(총장 국양, 이하 DGIST) 공동 연구팀이 차세대 이차전지로 떠오르고 있는 ‘수계아연이온전지의 후막 양극기술 개발’에 성공해 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 낮은 면적당 용량 문제 해결의 실마리를 풀었다.

□ ‘수계아연이온전지’는 물 기반의 전해질을 이용하기 때문에 발화 위험이 없고 안정성이 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있다.

ㅇ 이 같은 장점에도 불구하고 ‘후막 양극’ 제작 시 용량이 크게 저하되는 한계 때문에 수계아연이온전지 상용화에 어려움을 겪어 왔다.

ㅇ 후막 양극은 전자들의 이동 통로 역할을 하는 집전체 위에 전기 에너지를 만들어내는 활물질이 두껍게 코팅된 전극으로, 이차전지의 에너지 밀도 향상에 필수적인 조건이 된다.

ㅇ 30㎛ 두께의 양극 4장을 120㎛ 두께의 후막 양극 1장으로 교체할 경우 전지의 두께는 30% 이상 얇아지고 에너지 밀도는 높아진다.

□ 생기원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사 연구팀과 DGIST 에너지공학과 이용민 교수 연구팀은 상용화된 리튬이온전지의 양극용 바인더*에 친수성을 부여함으로써 수계아연이온전지의 용량 저하 문제를 해결했다.

* 바인더 : 활물질과 도전재가 집전체에 잘 붙을 수 있도록 넣어주는 접착 물질

ㅇ 리튬이온전지는 양극의 활물질과 도전재*를 집전체에 접착시키기 위한 바인더로 폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF)를 사용하는데, 불소계 고분자인 PVdF가 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성을 띠고 있어 완성된 양극이 수계전해질에 젖는 것을 방해한다.

* 도전재 : 양·음극 활물질 사이에서 전자의 이동을 촉진시키는 물질

ㅇ 특히 양극이 두꺼울수록 굴곡률(Tortuosity)이 높아지기 때문에 수계전해질이 전극 내부로 스며들기 어렵고, 전해질이 침투되지 못한 양극은 아연 이온 공급이 원활치 않아 수계이온전지 용량 구현에 한계가 따랐다.

□ 공동 연구팀은 간단한 설폰화반응만으로 기존 리튬이온전지 바인더를 친수성 있는 Sulfonated PVdF(S-PVdF)로 개질해 오랜 난제를 풀었다.

ㅇ 설폰화반응(Aromatic Sulfonation)은 연료전지용 고분자 전해질 막의 친수성을 높이기 위한 치환반응이다.

ㅇ 설폰화반응을 통해 개질(Reforming)된 S-PVdF 바인더는 분자 내에 풍부한 설포네이트 작용기(Functional Group)를 포함하고 있어 기존 PVdF에 비해 수계전해질의 젖음성이 향상되고 이온전도도 또한 10배가량 높았다.

ㅇ 설포네이트 작용기가 S-PVdF 바인더의 극성을 향상시켜 양극 활물질의 전극 내 분산성을 높이기 때문인데, 이를 통해 높은 에너지 밀도를 갖는 후막 양극 제조 시 가장 큰 난제였던 전극 내 활물질·바인더·도전재의 불균일한 분포 및 낮은 결착력을 향상시킬 수 있게 됐다.

□ 생기원 김찬훈 박사 연구팀이 개발된 S-PVdF 바인더를 활용해 양극 활

물질 기준 6㎎/㎠의 후막 전극을 제작하고, DGIST 이용민 교수 연구팀이

물리화학적 특성을 분석한 결과 기존 PVdF 바인더 사용 시보다 초기 가역 용량이 20% 이상 증가한 것으로 나타났다.

ㅇ 또한 3,000사이클 동안에도 PVdF를 사용한 양극과 비교해 지속적으로 높은 가역 용량을 나타내고, 양극 용출을 효과적으로 억제해 고온에서도 2배 이상 높은 용량 유지율을 보였다.

□ 이번 성과는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 국가과학기술연구회의 선행융합연구사업 지원을 통해 창출되어 지난 4월 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano-Micro Letters (IF=26.6, JCR 상위 2.92%)’ 온라인 판에 게재됐다.

* 논문 제목 : Enhancing Hydrophilicity of Thick Electrodes for High Energy Density Aqueous Batteries

ㅇ 연구를 이끈 김찬훈 박사는 “수계아연이온전지 상용화에 필수적인 후막 양극 제작의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과”라고 설명하며 “에너지 밀도를 더욱 높이는 기술 개발에 주력해 ESS용 수계아연이온전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다.

ㅇ 제1 저자로 참여한 생기원 청정웰빙연구그룹 이정은 학연협동과정생은