분자 도르래로 고용량 이차전지 수명 늘렸다 사이언스 게재, 상용 전기자동차 적용 기대 허령 기자입력 2017-08-14 17:59:13

미래창조과학부 한국연구재단은 최장욱 교수·코스쿤 알리 교수 연구팀(한국과학기술원)이 작년 노벨화학상 연구내용인 분자 도르래 구조를 실리콘 전극에 최초로 적용해 이차전지 수명을 획기적으로 개선했다고 밝혔다.

 

움직도르래와 분자 도르래 바인더의 구조

(위)거시세계의 움직도르래는 움직도르래의 개수(n)가 증가할수록 2n에 비례해 줄에 걸리는 장력이 감소한다. (아래)같은 원리를 갖는 분자 도르래인 폴리로텍세인은 폴리아크릴산(PAA) 이라는 기존 고분자에 화학적으로 가교 되어 본 연구의 배터리 바인더로 활용되었다.


실리콘 음극은 상용화된 흑연 음극보다 리튬이온 저장률이 5배 이상 높다. 하지만 실리콘은 충전 과정에서 부피가 많이 늘어나 입자가 부서지거나 전극 전체가 벗겨지기도 한다. 이 때문에 실리콘 전극은 충전, 방전을 수십 회 이상 반복하기 어려워 상용화되지 못했다.
이에 연구팀은 2016년 노벨화학상을 받은 분자 도르래 구조를 도입해 고용량 이차전지 고분자 바인더를 개발했다. 연구결과 탄성이 높은 분자 도르래가 실리콘 전극을 안정적으로 잡아줘서 부피 팽창이 500회 이상 반복돼도 실리콘이 부서지거나 전극에서 떨어지지 않았으며, 전극 용량도 상용 수준인 3㎃h/㎠를 유지했다. 이는 현재 IT 기기에 쓰이는 리튬이온전지의 수준을 상회하는 수치라고 연구팀은 설명했다. 

 

분자 도르래 바인더와 기존 바인더의 작동 원리

충전 : 리튬이온이 삽입되면서 마이크로 크기의 실리콘 입자의 부피가 팽창한다. 이때, 폴리로텍세인의 고리 분자는 고분자 사슬을 따라 자유롭게 움직이면서 분자 도르래 바인더는 인장하게 된다. ‘움직도르래와 분자 도르래 바인더의 구조’ 그림에서 움직도르래의 원리로 인해 분자 도르래 바인더에 걸리는 장력을 크게 감소시킴으로써 부피 팽창 중에도 실리콘 입자를 응집시켜 구조적 안정성을 확보할 수 있다. 이에 비해 기존 바인더의 경우 부피 팽창에 따른 장력이 고분자에 그대로 전달돼 쉽게 끊어져 분쇄된 실리콘 입자들이 붕괴된다. 
방전 : 리튬이온이 빠져나가면서 분쇄된 실리콘 입자가 수축하게 된다. 분자 도르래의 경우 인장 시 뭉쳐진 고리 분자들의 상호 반발력으로 인해 탄성 회복력이 생긴다. 이러한 탄성 회복력에 의해 분쇄된 실리콘 입자가 수축 시 원래 형태로 복원할 수 있게 만들어 준다.


최장욱 교수는 “이 연구는 지난해 노벨화학상을 수상한 분자 구조가 고용량 이차전지 소재 개발에 최초로 적용된 사례이다. 미래 전기자동차용 이차전지의 핵심 전극 기술로 적용될 것으로 기대된다. 기초 연구를 바탕으로 응용 연구를 진행할 때 기존의 기술을 뛰어넘는 획기적인 결과가 나올 수 있음을 보여주는 예이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
한편, 최장욱 교수·코스쿤 알리 교수 연구팀의 연구내용은 세계적 학술지인 사이언스(Science)에 7월 21일(금) 자로 게재되었다.

 

★ 용어 설명 ★

 

※ 분자 도르래 구조
-> 고분자 사슬에 고리가 들어간 분자구조로 고리의 움직임이 자유롭다.

 

※ 전극
-> 이차전지에서 리튬을 저장하는 역할을 한다. 이 연구에서의 전극은 실리콘 입자, 고분자 바인더, 탄소 도전재로 구성돼 있다.

 

※ 바인더 
-> 배터리 소재(본 연구에서는 실리콘) 간 또는 집전체 기판과 전극 간에 접착을 돕는다.

 

※ 고분자 바인더
-> 고분자 소재로 이차전지 전극에 포함되어 실리콘 입자 간 또는 집전체 기판과 전극 간에 접착할 수 있도록 한다.

 

※ 실리콘 음극
-> 리튬이온과 합금화 반응을 통해 리튬이온을 저장하는 전극 소재이다. 낮은 전압 범위에서 구동할 뿐만 아니라 4,200㎃h g-1에 달하는 이론 용량(상용 흑연은 372㎃h g-1)을 지니고 있어 가장 주목받고 있는 차세대 음극 소재이다. 

 

※ 입자 분쇄 현상
-> 실리콘 입자가 충전 및 방전 과정 중의 부피 팽창에 의해 작은 입자로 부서지는 현상이다.
 
※ 전극 박리 현상
-> 충전 및 방전 과정 중 전극의 부피 변화로 인해 전극물질이 집전체로부터 떨어져 나가는 현상이다. 떨어져 나간 전극 물질은 리튬이온을 더 저장할 수 없어 배터리 수명(충·방전 횟수) 단축 및 열화의 원인이 된다.

 

※ 계면 불안정 및 SEI 층
-> 충전 및 방전 과정 중에 전해질이 분해되면서 전극 표면에 얇은 리튬이온전도성 피막(SEI층)이 형성된다. 부피팽창이 큰 전극의 경우 SEI층이 팽창 중에 깨져서 다양한 화학적 반응을 가져오고 궁극적으로는 충·방전 횟수를 줄이는 문제의 원인이 된다. 

 

※ 폴리로텍세인(Polyrotaxane) 
-> 폴리로텍세인은 고분자 사슬과 사슬에 관통된 다수의 환형 분자들로 구성되고, 고분자 사슬 양단에 붙어 있는 큰 분자가 관통된 환형 분자들의 일탈을 막고 있는 거대분자(Supra-molecular) 구조체이다.

 

※ 초분자
-> 분자 사이에 수소결합, 정전기 상호작용과 같은 비공유 결합력으로 생성되는 2개 이상의 분자 집합체이다.

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