국내연구진, 배터리 용량↑, 안정성↑ 기술 개발에 성공

국내 연구진이 더 오래 쓰는 휴대전화, 더 멀리 가는 전기차를 실현하는 기술개발에 성공했다.

포스텍(포항공대) 박수진 교수와 KAIST(한국과학기술원) 문홍철 교수 공동 연구팀은 배터리 용량을 크게 늘리면서 안정성도 강화하는 기술을 개발해 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지인 '에너지와 환경과학'에 최근 발표됐다.

스마트폰, 전기차, 에너지저장장치(ESS) 등 대부분의 현대 전자기기는 배터리에 의존한다. 때문에 작고 오래가는 고성능 배터리를 만들기 위해 '더 작은 공간에 더 많은 에너지를 담는' 기술 개발이 무엇보다 중요하다.

기존에는 전극을 두껍게 만들어 활성 물질을 많이 담는 방식을 주로 사용했지만, 이 경우 리튬이온 이동이 느려지고, 내부 구조가 쉽게 무너져 안정성이 떨어지는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 배터리 내부를 무작정 두껍게 만드는 대신 구성 요소를 단단히 결합하는 '접착제'인 전극 바인더에 주목했다.

연구팀이 개발한 '이온 소프트 폴리머(이하 ISP)'는 단순 접착제를 넘어, 활성 물질과 다른 부품들을 견고하게 붙여주는 동시에 이온 이동을 돕는 특징이 있다.

특히 ISP 분자 안에는 이온을 띠는 사슬 구조가 존재하는데, 이 사슬들은 스스로 정렬해 '이온 클러스터'라는 작은 통로를 만들어 리튬이온의 빠른 이동을 돕는다. 전극이 두껍거나 복잡해도 이온이 막힘없이 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 충·방전 효율이 향상되는 셈이다.

또 ISP는 고무처럼 유연해 배터리 충·방전 과정에서 반복되는 팽창과 수축을 흡수하는 데다 자체 치유 기능을 통해 균열이 생겨도 스스로 복구할 수 있다. 여기에 더해 전극 표면에서는 금속 이탈과 불필요한 화학반응을 막아 배터리 안전성과 수명을 동시에 높일 수 있다.

연구팀이 기존 파우치형 배터리와 비교 실험한 결과 무게와 부피면에서 각각 약 1.5배, 1.6배 향상된 에너지 밀도를 보였다.

박수진 교수는 "이 기술은 더 얇고 오래가는 스마트폰 배터리, 더 가볍고 긴 주행거리를 자랑하는 전기차, 효율적인 에너지저장장치 개발에 이르기까지 다양한 산업에서 큰 변화를 불러올 것"이라며 "ISP 바인더는 고용량 전극이 필요한 차세대 리튬금속전지, 고체전지 등에도 폭넓게 응용될 수 있다"고 했다.