(왼쪽부터) 권오현 박사과정생, 남인호 교수

화학공학과 남인호 교수(첨단소재공학과·지능형에너지산업융합학과 겸임) 연구팀이 감자전분을 활용해 고성능 리튬이온 배터리에 쓰이는 실리콘 음극의 안정성을 높이고 충전 속도를 큰 폭으로 단축하는 기술을 개발했다. 

고용량 배터리를 만들 때에는 접착제 역할을 하는 바인더가 필요하다. 기존에 개발된 여러 바인더 가운데 실리콘은 가장 큰 용량을 보인다는 점에서 큰 주목을 받았다. 다만, 역동적인 부피팽창 환경에 취약점을 가지고 있어 장기간 구동 시 안정성을 확보하는 어렵다는 점이 관건으로 여겨졌다. 

남인호 교수팀은 실시간으로 응력에 반응하는 전단농화(shear-thickening) 특성을 지닌 감자전분을 매개체로 삼아 기계적 성능이 뛰어난 실리콘 음극용 바인더 기술을 개발해 문제를 해결하는 데 성공했다. 

남 교수 연구팀이 개발한 실시간 응력 대응 바인더는 바인더 구조가 실리콘의 부피팽창 정도에 따라 실시간으로 최적화되며 응력을 분산시킨다. 장시간 안정적인 구동이 가능할 뿐 아니라 제한된 부피 내 리튬을 저장할 수 있는 실리콘 음극의 양을 최대한으로 활용해 높은 에너지 밀도를 갖는 실리콘 음극 기반 이차전지를 구현할 수 있도록 만들었다. 

연구팀이 개발한 바인더는 고속 배터리 충전 효율을 높이는 장점도 있는 것으로 확인됐다. 기존에 사용되던 실리콘 음극은 구조적 불안정성으로 인해 고속 충전에 한계가 있었지만, 감자전분 바인더가 지닌 구조적 특이성은 이온 전도도를 향상시켜 충전 속도를 크게 높이는 결과를 가져왔다. 

이번 연구의 상세 내용은 남인호 교수와 권오현 박사과정생으로 구성된 연구팀이 한국기술교육대 박수민 교수팀, UNIST(울산과학기술원) 이현욱 교수와 공동 발표한 ‘Intelligent Stress-Adaptive Binder Enabled by Shear-Thickening Property for Silicon Electrodes of Lithium-Ion Batteries’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 해당 논문은 피인용 지수(IF, Impact Factor) 27.8을 기록한 에너지 소재 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다. 

남인호 교수는 “새롭게 개발한 바인더는 실시간으로 팽창하는 실리콘 전극에 대응해 장기적으로 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 고질적인 문제가 해결된 만큼 상업적으로 활용 가능한 높은 에너지 밀도를 지닌 실리콘 음극 기반 이차전지를 개발하는 데 있어 큰 도움이 될 것”이라고 전했다.