전기자동차 상용화가 활발해지면서 상용 전지보다 긴 주행거리를 낼 수 있는 고에너지밀도 이차전지의 필요성이 부각되고 있는 가운데 기존의 리튬코발트산화물보다 두 배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 가진 고에너지밀도의 리튬이온전지가 개발됐다.
한국연구재단은 17일 충남대 송승완 교수와 금오공대 정현민 교수 공동연구팀이 고전압 고용량 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상하는 데 성공했다고 발표했다.
차세대 양극 소재로 주목받는 과리튬(Li-rich) 산화물은 리튬코발트산화물보다 두 배 정도의 에너지 용량을 낼 수 있지만 충전 전압을 4.4V 이상 높여야 고용량을 획득할 수 있는데 이럴 경우 이차전지 내 열이 발생해 바인더의 접착력이 약해져 전지 성능이 빠르게 퇴화하는 문제점을 갖고 있다.
연구팀은 고전압과 고온 조건에서도 별도의 전해질 첨가제를 사용하지 않고도 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 최초로 개발해 기존의 리튬코발트산화물보다 두 배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 획득했다.
이 연구에서 개발한 불소화 폴리이미드 바인더 소재는 4.7V의 높은 충전 전압을 갖고 55℃의 고온의 가혹한 조건에서도 강한 접착력을 유지했으며, 과리튬산화물 양극과의 컴비네이션만으로 안정된 고에너지밀도의 리튬이온전지를 구현했다.
충전 전압을 높이면 전해질이 산화 분해되고 양극과 전해질 사이 계면이 불안정해지는 종전의 바인더와 달리 연구팀이 개발한 불소화 폴리이미드 바인더는 양극에 표면 보호층을 형성해 계면안정화를 위한 별도의 전해질 첨가제가 필요 없다.
송승완 교수는 “이번 연구는 높은 전압과 고온 환경에서도 성능을 유지하는 바인더를 개발해 양극 소재의 용량과 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상한 최초의 사례”라며 “기존 양극 제조 공정에도 바로 적용 가능하며, 이를 통해 더 오래 사용할 수 있는 이차전지와 주행거리가 길어진 전기자동차를 생산할 수 있을 것으로 기대한다”라고 설명했다.
송승완 교수는 2000년 Tokyo Institute of Technology 대학교에서 박사학위을 취득하고 2000년 ~ 2004년 미국 로렌스 버클리 국립연구소 박사후 연구원과 2004년 ~ 2005년 미국 로렌스 리버모어 국립연구소에서 박사 후 연구스탭을 거쳐 2006년 충남대학교 정밀응용화학과 조교수로 부임해 현재 응용화학공학과 교수로 재직하며 리튬이차전지 및 차세대혁신전지를 연구 중이다.
이 연구 성과는 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 메트리얼즈(Advanced Functional Materials) 1월 10일 논문으로 게재되었다. (논문명 : Fluorinated Polyimide as a Novel High-Voltage Binder for High-Capacity Cathode of Lithium-Ion Batteries)
