CO2 배출로 인한 기후변화 문제 해결에 기여하기 위해, 무공해 전기자동차, 신재생에너지 연계 스마트그리드 에너지저장시스템, 백-업 에너지저장 장치 개발에 박차가 가해지면서, 관련 차세대/미래 산업에서는 현재 사용되고 있는 리튬이차전지보다 저가, 고에너지, 고안전성 및 장수명 기능을 가지는 혁신적인 리튬이차전지의 탑재가 전망되고 있다.

향후 전기자동차 수요의 급증과 시장 확대가 예상됨에 따라 현재의 상용 전지보다 더 오래 사용할 수 있는 즉, 더 긴 전기자동차 주행거리를 낼 수 있는 "고에너지밀도" 이차전지의 필요성이 부각되고 있다. 이를 위해서는 상용 이차전지에 사용되는 양극소재인 LiCoO2, NCM 등의 용량 한계를 돌파하는 획기적으로 높은 용량을 내는 소재가 필요하다.

한국연구재단은 충남대학교 송승완 교수·금오공과대학교 정현민 교수 공동연구팀이 고전압 고용량 양극 소재용 새로운 바인더 소재를 개발해 리튬 이차전지의 에너지밀도를 획기적으로 향상하는 데 성공했다.

▲ 고전압 바인더를 적용한 양극의 계면 및 구조 안정화 효과

연구팀은 고전압과 고온 조건에서도 별도의 전해질 첨가제를 사용하지 않고도 안정적인 접착력을 유지하는 불소화 폴리이미드 바인더 소재를 최초로 개발하여 기존의 리튬코발트산화물보다 두 배 높은 용량과 안정적인 충·방전 성능을 획득했다.

이 연구에서 개발한 불소화 폴리이미드 바인더 소재는 4.7V의 높은 충전 전압과 55℃의 고온의 가혹한 조건에서도 강한 접착력을 유지했으며, 과리튬산화물 양극과의 컴비네이션만으로 안정된 고에너지밀도의 리튬이온전지를 구현하였다.

▲ 고전압 바인더 적용 양극을 탑재한 리튬이차전지 충방전 성능의 획기적 향상

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.

고전압 충전조건에서 전극-전해질 계면에서의 이온 전달 반응, 전기화학 반응 등 미지의 고전압 영역의 리튬이차전지반응 거동 규명을 통해 새로운 고전압 배터리화학 학문분야를 개척하게 될 것으로 기대된다.

고용량 양극소재 적용범위 확대를 통해 고에너지밀도를 가지는 리튬이차전지 관련 시장 창출 가능성을 높이고 기존 전지시스템의 안전성 문제를 극복하는 고성능 이차전지 시스템으로의 전환기와 긴 주행거리를 가지는 안전한 전기차로의 전환기를 맞이할 수 있다.