표면 개질된 탄소 도전재 이용한 나노블렌딩 기술 통한
바인더-프리 리튬이온 배터리 전극 개발
조진한 교수팀 연구결과, 해당 분야 권위 학술지 Advanced Science 게재돼

▲ 왼쪽부터 조진한 고려대 교수(교신저자), 고용민 DGIST 연구원(공동교신저자, 본교 화공생명공학과 박사), 

송용권 고려대 화공생명공학과 박사(제1저자), 배우진 연구원(공동제1저자, 고려대 화공생명공학과 석사)

공과대학 화공생명공학과 및 KU-KIST 융합대학원 조진한 교수, 대구경북과학기술원(DGIST) 고용민 박사 연구팀은 표면 개질된 탄소 도전재를 이용한 나노블렌딩 기술을 통해 우수한 에너지 저장 성능을 지닌 바인더-프리 배터리 전극 개발에 성공했다.

최근 한국을 비롯하여 세계 시장에서 가파른 성장세를 보이는 이차전지 분야에서는 높은 에너지 용량과 빠른 속도 특성이 구현된 배터리 전극을 요구하고 있다. 현재 배터리 전극(양극/음극)을 제작하는 가장 일반적인 방법은 활물질, 탄소 도전재, 고분자 바인더(binder)가 기계적으로 혼합된 슬러리(slurry)를 2차원 금속 집전체(알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 포일)에 코팅하는 것이다. 하지만, 단순 기계적으로 혼합된 슬러리는 구성 성분 간의 불안정한 계면 상호작용으로 인해 응집(aggregation) 현상이 나타날 수 있고, 용매 증발 과정에서는 낮은 밀도의 탄소 도전재는 떠오르고, 높은 밀도의 활물질은 가라앉는 분리(segregation) 현상이 나타날 수 있다. 즉, 탄소 도전재가 인접한 활물질 사이에 효과적으로 위치하지 못하고, 그로 인해 도전재의 도입량 대비 배터리 전극의 전하 전달 향상에는 한계가 있었다.

이에 조진한 교수 연구팀은 표면 개질된 탄소 도전재를 이용한 나노블렌딩 기술을 통해 안정적인 계면 상호작용을 기반으로 배터리 전극 내에서 도전재의 효율적인 공간 배치를 유도하고, 절연성 유기물(고분자 바인더 및/또는 리간드(ligand))의 비율을 최소화하여, 높은 전하 전달 효율과 우수한 에너지 저장 성능을 지닌 바인더-프리 배터리 전극을 개발했다.

표면 개질된 탄소 도전재가 매개하는 리간드 교환 반응을 통해 높은 에너지 용량을 지니는 산화철 나노입자를 균일하게 조립하여 바인더-프리 배터리 전극을 제작했다. 개질된 탄소 도전재 표면에 존재하는 카복시기(-COOH)는 나노입자 표면에 존재하는 절연성 리간드를 제거하는 동시에 안정적인 계면 상호작용을 형성할 수 있었고, 이를 통해 절연성 고분자 바인더의 사용 없이도 배터리 전극을 구성할 수 있었다. 이러한 접근 방법은 구성 성분 간의 안정적인 계면 상호작용을 기반으로 하여 응집 및 분리 현상 없이 전극을 형성할 수 있었고, 탄소 도전재가 효율적으로 공간 배치된 나노블렌드 구조를 유도할 수 있었다. 그로 인해, 형성된 바인더-프리 배터리 전극은 높은 전하 전달 효율을 보일 수 있었으며, 높은 에너지 저장 성능과 구동 안정성을 보일 수 있었다.

특히, 이러한 나노블렌딩 기술은 2차원 금속 집전체에만 한정된 슬러리 코팅 방법과는 달리 넓은 표면적을 바탕으로 높은 면적 당 성능을 유도할 수 있는 3차원 금속 집전체(그 예로, 피브릴계 직물 집전체)에도 효과적으로 적용될 수 있었다. 구체적으로, 본 기술을 통해 직물 집전체의 내/외부 표면에 전극 층을 균일하고 안정적으로 도입할 수 있었으며, 제작된 나노블렌드 직물 전극은 슬러리 코팅을 통해 제작된 직물 전극에 비해 높은 에너지 저장 용량, 빠른 속도 특성, 높은 구동 안정성을 보였다. 추가로, 제작된 나노블렌드 직물 전극은 다공성 구조를 활용하여 스택(stack) 방식을 통해 더욱 높은 에너지 저장 성능을 보일 수 있었다.

제 1저자인 송용권 박사는 “기존 배터리 전극의 제작 방법에서 생기는 고질적인 문제를 구성 성분 간의 계면/구조 관점에서 바라볼 수 있는 연구로, 향후 이차전지 분야에서 배터리 전극 설계를 최적화하는 데 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학 및 나노과학/기술 분야의 권위 학술지인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF = 17.521)에 독일 현지 시간 5월 21일에 온라인 게재됐다.


[ 그 림 설 명 ]


 

▲그림. 표면 개질된 탄소 도전재를 이용한 나노블렌딩 기술 모식도
표면 개질된 탄소 도전재(CCNs)가 매개하는 리간드 교환 반응을 통해 높은 에너지 용량을 지니는 산화철 나노입자(OA-Fe3O4 NPs)를 균일하게 조립하여 바인더-프리 배터리 전극을 제작한다. 본 기술은 조립 과정에서 나노입자 표면에 존재하는 절연성 리간드(OA)를 제거할 수 있으며, 안정적인 계면 상호작용을 기반으로 탄소 도전재가 효율적으로 공간 배치된 나노블렌드 구조를 유도할 수 있다. 추가로, 이러한 나노블렌딩 기술은 넓은 표면적을 지닌 피브릴계 직물 집전체의 내/외부를 효과적으로 코팅할 수 있으며, 이를 통해 높은 면적 당 에너지 성능을 지닌 배터리 전극을 제작한다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)