한국생산기술연구원은 대구경북과학기술원(DGIST)과 함께 낮은 면적당 용량 문제를 해결할 수 있는 수계아연이온전지의 '후막 양극' 기술 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.


수계아연이온전지는 물 기반의 전해질을 이용하기 때문에 발화위험이 없고 안정성이 높아 리튬이온전지의 대안으로 주목받고 있지만 후막 양극 제작 시 용량이 크게 저하되는 단점으로 상용화에 어려움을 겪어왔다.

후막 양극은 전자들의 이동통로 역할을 하는 집전체 위에 전기에너지를 만들어내는 활물질이 두껍게 코팅된 전극으로, 이차전지 에너지 밀도 향상의 필수조건이다.

이번에 생기원 청정웰빙연구그룹 김찬훈 박사팀은 DGIST 에너지공학과 이용민 교수팀과 상용화된 리튬이온전지의 양극용 바인더에 친수성을 부여, 수계아연이온전지의 용량 저하 문제를 해결했다. 바인더는 활물질과 도전재가 집전체에 잘 붙을 수 있도록 넣어주는 접착물질이다.

리튬이온전지는 양극의 활물질과 전자이동 촉진물질인 도전재를 집전체에 접착시키기 위해 바인더로 폴리비닐리덴 플로라이드(PVdF)를 사용한다. 하지만 불소계 고분자인 PVdF가 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성을 띠고 있어 완성된 양극이 수계전해질에 젖는 것을 방해한다.

양극이 두꺼울수록 굴곡률이 높아져 수계전해질이 전극 내부로 스며들기 어렵고 전해질이 침투되지 못한 양극은 아연 이온 공급이 원활치 않아 수계이온전지 용량 구현에 한계가 따랐다.

공동 연구팀은 간단한 설폰화반응만으로 기존 리튬이온전지 바인더를 친수성을 갖는 'Sulfonated PVdF(S-PVdF)'로 개질해 기존 문제를 해결했다.

설폰화반응(Aromatic Sulfonation)은 연료전지용 고분자 전해질 막의 친수성을 높이기 위한 치환반응으로 설폰화반응을 통해 개질된 S-PVdF 바인더는 분자 내 풍부한 설포네이트 작용기(Functional Group)를 포함하고 있어 기존 PVdF에 비해 수계전해질의 젖음성이 향상되고 이온전도도는 10배가량 높다.



이는 설포네이트 작용기가 S-PVdF 바인더의 극성을 향상시켜 양극 활물질의 전극 내 분산성을 높이기 때문이다.

이를 통해 연구진은 높은 에너지 밀도를 갖는 후막 양극 제조 때 가장 큰 걸림돌였던 전극 내 활물질·바인더·도전재의 불균일한 분포 및 낮은 결착력 문제를 제거했다.

김찬훈 박사 연구팀이 개발된 S-PVdF 바인더를 활용해 양극 활물질 기준 6㎎/㎠의 후막 전극을 제작한 뒤 DGIST 이용민 교수팀이 물리화학적 특성을 분석한 결과, 기존 PVdF 바인더 사용 때 보다 초기 가역 용량이 20% 이상 증가한 것으로 나타났다.

또한 시간이 오래 흘러도 PVdF를 사용한 양극과 비교해 지속적으로 높은 가역 용량을 나타냈고 양극 용출을 효과적으로 억제해 고온에서도 2배 이상 높은 용량 유지율을 보였다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 'Nano-Micro Letters(IF=26.6, JCR 상위 2.92%)' 온라인판에 지난 4월 게재됐다.(논문명:Enhancing Hydrophilicity of Thick Electrodes for High Energy Density Aqueous Batteries)

김찬훈 박사는 "수계아연이온전지 상용화에 필수적인 후막 양극 제작의 새로운 방향성을 제시한 연구 결과"라며 '에너지 밀도를 더욱 높이는 기술 개발에 주력해 ESS용 수계아연이온전지 조기 상용화에 주력할 계획"이라고 말했다.