혁신적인 새로운 배터리 기술로 전기 자동차의 주행 가능 거리가 늘어납니다.

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혁신적인 새로운 배터리 기술로 전기 자동차의 주행 가능 거리가 늘어납니다.

전기차 시장은 2022년 매출 1조달러, 국내 판매량 10만8000대를 돌파하는 등 급격한 성장세를 보이고 있어 고용량 배터리에 대한 수요가 높아지고 있다.

전기차 시장은 2022년 매출 1조달러, 국내 판매량 10만8천대를 돌파하는 등 급격한 성장세를 보이고 있어, 전기차 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리에 대한 수요도 늘어나고 있다.

포스텍과 서강대학교 연구진은 이러한 증가하는 수요를 충족시키기 위해 기능성 고분자 바인더로 양극재를 개발했습니다.

해당 연구의 해당 논문 'Layering Charged Polymers Enable Highly Integrated High-Capacity Battery Anodes'는 Advanced Functional Materials에 게재되었습니다.

포스텍 박수진, 김연수 교수와 서강대 류재건 교수가 이끄는 연구팀은 고용량 양극을 통해 전기차 주행거리를 늘리는 연구를 진행했다.

그들은 기존 흑연 음극보다 10배 이상 용량을 제공하는 안정적이고 신뢰할 수 있는 고용량 양극 재료용 하전 고분자 바인더를 개발했습니다. 이러한 획기적인 성과는 흑연을 Si 양극으로 대체하여 이루어졌으며, 안정성과 신뢰성을 유지하면서 층상 충전 폴리머와 결합되었습니다.

실리콘 등 고용량 양극재는 전기차 주행거리를 늘리는 데 필수적이다. 이는 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리를 만들고 현재 사용 가능한 흑연이나 기타 양극 재료보다 최소 10배 더 많은 용량을 제공하기 때문입니다.

연구진이 이 단계에서 어려움을 겪었던 점은 리튬과 반응하는 동안 고용량 양극재의 부피 팽창이 배터리 성능과 안정성에 위협이 된다는 점이었습니다. 이 문제를 완화하기 위해 연구진은 체적 팽창을 효과적으로 제어할 수 있는 폴리머 바인더를 조사했습니다.

지금까지 배터리와 에너지 밀도에 관한 연구는 주로 화학적 가교와 수소 결합에만 집중되어 왔습니다.

화학적 가교는 바인더 분자 사이의 공유 결합을 통해 단단하게 만들어 주지만, 일단 끊어지면 결합을 복원할 수 없다는 치명적인 결함이 있습니다. 반면, 수소결합은 전기음성도 차이에 따른 분자 간 가역적인 2차 결합이지만 그 세기(10~65 kJ/mol)가 상대적으로 약하다.

그러나 새로운 폴리머는 수소 결합과 쿨롱 힘(양전하와 음전하 사이의 인력)을 모두 활용하여 전기 자동차의 주행 거리를 늘립니다. 이러한 힘은 250kJ/mol의 강도를 가지며, 이는 수소 결합의 강도보다 훨씬 높지만 가역적이므로 부피 팽창을 쉽게 제어할 수 있습니다.

고용량 음극재의 표면은 대부분 음전하를 띠고 있으며, 적층형으로 하전된 고분자가 양극과 음전하를 번갈아 배열하여 양극과 효과적으로 결합하게 됩니다. 또한, 연구진은 물리적 특성을 조절하고 리튬 이온 확산을 촉진하기 위해 폴리에틸렌 글리콜을 도입하여 리튬 이온 배터리에서 볼 수 있는 두꺼운 고용량 전극과 최대 에너지 밀도를 구현했습니다.

박수진 교수는 “이번 연구는 고용량 양극재를 적용해 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 획기적으로 높여 전기차 주행거리를 늘릴 수 있는 잠재력을 갖고 있다”고 결론지었다.

실리콘 기반 양극 소재는 구동 범위를 최소 10배 이상 늘릴 수 있습니다.”

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