▲ 실리콘 음극재 바인더로 전도성 고분자를 사용했을 때의 장점 / 설명 a) 활물질 외의 물질을 감소시켜 에너지 밀도 향상, b) 사이클 구동 중에 부피팽창이 반복되더라도 도전재의 접촉이 유지되어 전도도 유지, c) PEG의 혼합으로 PEDOT:PSS의 전도도를 향상시키는 메커니즘(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

전극과 전도성 물질 사이의 접착제 역할을 하는 고성능 바인더가 새로 개발됐다. 높은 전기전도성의 물질로, 배터리 충·방전 속도에 영향을 미치는 음극 분야에서 다양하게 사용될 것으로 기대된다.

UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수팀과 이현욱 교수팀은 높은 전도성 고분자 중 가장 대표적인 물질인 PEDOT:PSS와 폴리에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 고분자를 혼합해 전기전도도가 높고 기계적 성질이 우수한 실리콘 음극용 바인더 기술을 개발했다.

PEDOT:PSS는 유연한 성질을 가지며 빠르고 간단한 제작 공정으로 대량생산이 가능한 고분자다. 하지만 전기전도도가 비교적 낮아 전극과 전도성 물질 사이에 접착제 역할을 하는 ‘바인더’로 사용할 경우 전도성 물질인 ‘도전재’를 사용해야만 배터리 구동이 가능했다. 

연구팀이 개발한 고전도성 고분자 바인더는 도전재 없이도 구동할 수 있다. 제한된 부피 안에 리튬을 저장할 수 있는 실리콘 음극의 양을 증가시켜 높은 에너지 밀도를 갖는 실리콘 음극 기반 이차전지를 구현할 수 있다.

강석주 교수는 “상용화된 고분자를 활용한 높은 전기전도도의 고분자 바인더를 개발해 실리콘 음극 기반 이차전지의 성능을 향상할 수 있다”며 “개발된 혼합물은 기존 대비 약 72배의 전기전도도를 보였다”고 설명했다.

연구팀은 새롭게 개발된 고분자 바인더는 높은 전기전도성 외에도 기계적 성질이 매우 우수하다. 실리콘 음극의 최대 단점으로 알려진 부피팽창 및 수축 시에도 효과적으로 바인딩 역할을 해 100번의 충·방전에도 기존 대비 75%의 배터리 용량을 유지하며 높은 성능을 확인할 수 있었다.

제1 저자인 공녕주 에너지화학공학과 연구원은 “PEDOT:PSS의 효과적인 상변화로 전기전도성과 기계적 성질을 향상시켜 높은 에너지 밀도를 가지는 실리콘 음극을 개발했다”며 새로운 고분자 개발을 통한 배터리 성능 향상을 강조했다.

이현욱 교수는 “개발된 고분자 바인더를 이용한 실시간 리튬 저장 실험을 통해 높은 안정성을 확인했다”며 “앞으로 실리콘 음극 연구 분야 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 에너지 스토리지 머티리얼즈 (Energy Storage Materials)에 2023년 11월 17일 온라인 게재됐다. 

논문명은 Promoting Homogeneous Lithiation of Silicon Anodes via the Application of Bifunctional PEDOT:PSS/PEG Composite Binders 이다.