배터리 전극 바인더(접착제) 바꿨더니...용량 1.5배 개선
에너지 밀도를 개선하는 방법으로 기존보다 더 오래가고, 크기는 줄일 수 있는 차세대 배터리 공정 기술이 개발됐다. POSTECH과 KAIST는 배터리 용량을 크게 늘리면서 안정성도 강화하는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 고성능 배터리를 만들기 위해서는 주로 전극을 두껍게 만들어 활성 물질을 많이 담는 방식이 사용됐다. 하지만, 이에는 리튬이온 이동을 느리게 하고, 내부 구조를 쉽게 무너 뜨리는 단점으로 수명 및 성능 저하를 초래했다. 연구팀은 배터리 내부를 무작정 두껍게 만드는 대신 구성 요소를 단단히 결합하는 '접착제'(이온 소프트 폴리머(ISP))를 개발했다. 이는 단순 접착제를 넘어, 활성 물질과 다른 부품들을 견고하게 붙여주는 동시에 이온 이동을 돕는다. 가장 큰 특징은 ISP 분자 안에 이온을 띠는 사슬 구조가 존재한다는 점이다. 이 사슬은 스스로 정렬해 '이온 클러스터'라는 작은 통로를 만들어 리튬이온이 빠르게 이동할 수 있는 '이온 고속도로' 역할을 한다. 이때문에 전극이 두껍거나 복잡해도 이온이 막힘없이 자유롭게 이동할 수 있다. POSTECH 화학과 한동엽 박사는 "ISP는 고무처럼 유연해 배터리 충·방전 과정에서 반복되는 팽창과 수축을 흡수하며, 자체 치유 기능으로 균열이 생겨도 스스로 복구한다"며 "전극 표면에서는 금속 이탈과 불필요한 화학반응을 막아 배터리 안전성과 수명을 동시에 높였다"고 설명했다. 실험 결과, 이 기술을 적용한 파우치형 배터리는 무게는 kg당 381.1Wh, 부피는 리터당 1067.5Wh의 높은 에너지 밀도를 기록했다. 이는 포장재까지 포함한 실제 제품 기준으로, 상용화가 충분히 가능한 수준이라는 것이 한 박사 설명이다. 한 박사는 "기존 파우치형 배터리의 평균 에너지 밀도가 kg당 250Wh, 리터당 650Wh인 점을 고려하면 각각 1.5배, 1.6배 향상된 수치" 라고 덧붙였다. 박수진 교수는 “ISP 바인더는 고용량 전극이 필요한 차세대 리튬금속전지, 고체전지 등에도 폭넓게 응용될 수 있어 국내 이차전지 산업의 글로벌 경쟁력 향상에도 기여할 것”이라고 내다봤다. 연구는 POSTECH 화학과 박수진 교수, 한동엽 박사, 화학공학과 통합과정 김성룡 씨, KAIST 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 수행했다. 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 최근 발표된 이 성과는 과학기술정보통신부 지원을 받아 진행됐다.
