에너지 저장 능력 향상시키는 텍스타일 기반 배터리 전극개발
조진한 교수팀, 미국 조지아텍/대구경북과학기술원 공동 연구 결과
국제 학술지 Advanced Energy Materials 게재

▲ 왼쪽부터 조진한 고려대 교수(교신저자), 권민성 석박사통합과정(제1저자), 
이승우 조지아텍 교수(공동 교신저자), 고용민 대구경북과학기술원 박사(제1저자)

공과대학 화공생명공학과 조진한 교수와 권민성 연구원은 고용민 박사(대구경북과학기술원), 이승우 교수(미국 조지아텍) 연구팀과 함께 텍스타일 섬유위에 고결정 에너지 나노입자를 균일하게 코팅하여 단위면적당 높은 에너지 밀도, 빠른 충방전 속도 및 높은 기계적 유연성을 동시에 구현할 수 있는 이차전지 양극재를 개발하는데 성공했다.

리튬이온 이차전지 배터리의 양극재로 사용되는 리튬인산철은 높은 작동 안정성과 인산철의 높은 경제성에도 불구하고 낮은 에너지 밀도를 갖는 것이 매우 큰 문제점으로 지적돼왔다.

또한, 최근의 연구는 수많은 기공을 가진 전도성 직물위에 에너지 저장 물질을 코팅하여 단위면적당 더 많은 에너지 물질을 도입하여 에너지 밀도와 파워 밀도를 향상시키려고 노력해왔다. 그러나 직물 내부 안까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하면서 고정화 작업이 매우 어려운 문제점을 가지고 있었다. 

조진한 교수팀의 권민성 연구원은 이러한 문제를 해결하기 위해 먼저 고결정의 리튬인산철 나노입자를 제조하고 넓은 표면적을 갖는 텍스타일 섬유 표면위에 탄소나노튜브와의 리간드 치환 층상자기조립법이라는 독특한 적층 방법을 통해 텍스타일 양극재를 구현했다. 합성된 리튬인산철 나노입자의 크기(35 nm)는 기존 상용화된 입자(1-2μm)의 크기보다 거의 1/30 이하로 줄임으로써 텍스타일 안에 존재하는 모든 섬유표면을 어떠한 뭉침 현상없이 완벽하게 코팅했다. 

또한, 텍스타일과 전극 물질(탄소나노튜브) 및 탄소나노튜브와 리튬인산철 나노 입자사이의 높은 상호간의 인력을 부여함으로써, 빠른 충방전 속도, 높은 에너지 밀도, 높은 기계적 유연성 및 안정적인 구동을 동시에 확보할 수 있었다.
   * 리간드 : 착화합물의 중심원자와 배위결합하며 주위를 둘러싸고 있는 분자 혹은 이온을 말함.
   * 리간드 치환 층상자기조립법 : 조진한 연구팀이 새로 개발한 층상자기조립법으로써, 물질 간 친화도(결합력) 차이를 이용한 조립법. 입자 표면에 결합해 있는 리간드보다 더 큰 친화도를 갖는 리간드를 이용해 박막을 제작하면 입자 표면에 결합해 있던 리간드가 떨어지고 새로운  리간드가 그 자리에 치환됨. 이러한 과정을 반복적으로 구현함으로써 다층구조의 박막을 만들 수 있음.  
   * 층상자기조립법(layer-by-layer assembly) : 물질 간 강한 친화력(정전기 인력, 수소결합, 공유결합 등)을 바탕으로 각 물질 층을 교차로 적층하면서 박막 형태의 다층구조 기능성 복합체를 제작할 수 있는 나노제조기술을 말함.

이러한 기술을 통해 지금까지 보고된 리튬인산철 기반 양극재보다 더욱 높은 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도를 갖는 배터리 양극재를 구현했으며, 상용화되고 있는 값비싼 니켈/코발트 기반 양극재보다 우수한 성능을 구현할 수 있었다.

고용민 대구경북과학기술원 박사는 “이번에 개발된 리튬인산철 양극재 전극은 면섬유의 내부 기공을 최대한 활용하면서 세계 최고 수준의 성능 확보를 구현할 수 있음을 보여준다.”며 “완전히 접힌 상태의 극한 기계적 조건에서도 배터리 성능을 완벽히 구현할 수 있음은 유연 전기전자 소자의 배터리 소재에 적용하는데 전혀 문제가 없다는 의미”라고 말했다.

조진한 고려대 교수는 “최근 면섬유와 같은 텍스타일 전극을 기반으로 최고 성능의 슈퍼커패시터, 배터리 및 물 분해 전극까지 연이어 성공적으로 구현함으로써 텍스타일 기반 에너지 전극 플랫폼 기술을 선도적으로 확보했다.”고 설명했다.
 
이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업 지원으로 수행되었으며, 국제 학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 (Advanced Energy Materials)의 유럽 현지시간 기준 7월 16일자 온라인판에 게재됐다. 
* 논문명 : Textile-Type Lithium-Ion Battery Cathode Enabling High Specific/Areal Capacities and High Rate Capability through Ligand Replacement Reaction-Mediated Assembly
* 저널명 : Advanced Energy Materials
* 키워드 : 층상자기조립법 (Layer-by-layer assembly), 텍스타일 전극 (Textile electrode), 리튬이차전지 (Lithium ion battery)
* DOI : doi.org/10.1002/adfm.202102530
* 저자 : 권민성 (제1저자/고려대학교), 조진한 교수 (교신저자/고려대학교), 이승우 교수 (공동교신저자/Georgia Institute of Technology)


[ 그 림 설 명 ]

▲ 텍스타일 기반 배터리 양극재 제조 방법 

(a) 텍스타일안에 서로간의 수소결합 인력을 갖는 탄소나노튜브를 교대 반복 적층시킴으로써 텍스타일을 구성하는 각각의 섬유 위에 전도성 탄소나노튜브 다층박막을 균일하게 코팅한다. 이를 통해 전도성 텍스타일을 구현하며, 다시 탄소나노튜브와 리튬인산철 나노입자를 리간드치환층상자기조립법으로 교대반복 적층시킴으로써 최종적인 텍스타일 양극재를 완성한다. 

(b) 텍스타일 섬유위에 코팅된 양극재 구성 성분들을 표현하였으며, 각 성분사이의 상호간 인력을 보여주고 있다.  

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)