본교 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀 (공동 제1저자: 권진용 석박통합과정생)은 한국화학연구원과 공동연구를 통해 실리콘-기반 음극용 친환경 고분자 바인더를 개발하였다. 해당 연구 성과는 국제 저명 재료화학 학술지인 Journal of Materials Chemistry A에 게재되었다.

 

현재 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도를 높이기 위해서 상용화된 흑연 음극 대신 순수 실리콘 음극을 사용하려는 시도가 계속되고 있다. 하지만 실리콘 기반 음극 물질은 충방전시 부피 팽창이 심해 구동 시 활물질 용량이 빠르게 감소하고 전지 안정성 또한 좋지 않아 전지 폭발로 이어지는 문제 때문에 상용화가 어렵다.

 

이를 해결하기 위해 전극에 들어가는 고분자 바인더를 다기능화시켜 실리콘의 응력을 완화하고 음극 활물질과의 결합을 강화하는 것이 매우 중요하다. 폴리우레탄는 폴리아크릴산과 같이 바인더로 사용할 경우, 폴리아크릴산의 부족한 유연성과 탄성을 보충해주어 전지의 성능을 개선할 수 있다. 하지만 기존의 폴리 우레탄의 경우는 폴리아크릴산과 화학적 결합이 어렵고 인체와 환경에 유해한 경로로 합성해야 한다는 문제점이 존재했다.

 

  

 

 

 

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 환경에 유해한 아이소시아네이트 (Isocyanate)를 사용하지 않고 원하는 작용기를 도입할 수 있는 경로로 폴리하이드록시우레탄을 합성하였다. 개발된 고분자 바인더는 인체와 환경에 무해하며 공유 결합을 통해 실리콘 및 폴리아크릴산과 전극 내부에서 균일한 3D 네트워크를 형성할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 개발된 바인더를 활용하여 기존 전지보다 3배 이상 높은 활물질 로딩에서도 안정한 구동이 가능하게 하여 실리콘 음극의 상용화 가능성을 높였다.

 

연구실 홈페이지 : https://sites.google.com/view/jryugroup/home

논문 제목 : Assembling Dense Grid with Green Polyhydorxyurethane and High-capacity Si-based Anode for Lithium Ion Batteries

논문 링크 : https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/TA/D4TA02422B