【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)과 KAIST(한국과학기술원) 공동 연구팀이 리튬이온 배터리의 에너지 용량과 안전성을 동시에 향상시키는 신기술을 개발해 이목을 끌고 있다. 이번 성과는 에너지 분야 세계 최고 권위의 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)에 최근 게재됐다.

▲ ISP 바인더의 고면적용량 전극 형성과 이를 이용한 파우치셀 성능 그래프  © 포스텍

이 기술이 상용화될 경우 스마트폰은 더 얇고 오래 사용할 수 있으며, 전기차는 한 번 충전으로 주행거리를 대폭 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 배터리 내부 구성 요소를 결합하는 접착제 역할을 하는 '전극 바인더(binder)'에 주목해 새로운 접근을 시도했다. 기존에는 전극을 두껍게 만들어 에너지 밀도를 높이려 했지만, 이는 리튬이온 이동을 저해하고 배터리 안정성을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

POSTECH과 KAIST 공동 연구팀이 개발한 ‘이온 소프트 폴리머(ionic soft polymer, ISP)’는 단순한 접착 기능을 넘어, 전극 내 활성 물질과 구성 요소들을 단단히 결합시키면서도 리튬이온 이동을 돕는 기능성 소재다.

특히 ISP는 이온을 띠는 분자 사슬 구조를 갖고 있으며, 이 구조들이 스스로 정렬돼 ‘이온 클러스터’를 형성한다. 이는 리튬이온이 빠르게 이동할 수 있는 일종의 ‘이온 고속도로’ 역할을 수행한다. 이로 인해 전극이 두껍거나 복잡해도 충·방전 시 이온이 막힘 없이 이동할 수 있어, 배터리 효율이 크게 향상된다.

ISP는 고무처럼 유연한 특성을 가져, 충·방전 과정에서 반복되는 팽창과 수축을 흡수하며 전극 손상을 방지한다. 또 균열이 생겨도 스스로 복구하는 자가치유 기능까지 갖추고 있어 배터리 수명을 연장시키는 데도 기여한다.

연구팀은 ISP가 전극 표면에서 금속 이탈과 불필요한 화학반응을 억제해 전체적인 안정성을 높이는 데도 효과적이라고 설명했다.

실제 실험에서 ISP를 적용한 파우치형 배터리는 무게당 381.1Wh, 부피당 1067.5Wh의 에너지 밀도를 기록했다. 이는 상용 파우치형 배터리의 평균(무게당 250Wh, 부피당 650Wh) 대비 각각 약 1.5배, 1.6배 향상된 수치로, 제품화 가능성을 확인한 것이다.

이번 연구를 주도한 POSTECH 박수진 교수는 “ISP는 리튬이온배터리를 넘어 차세대 리튬금속전지나 고체전지 등 고용량 전극을 필요로 하는 미래형 배터리에도 널리 활용될 수 있다”며 “국내 이차전지 산업의 글로벌 경쟁력 강화에도 크게 기여할 수 있는 기술”이라고 밝혔다.

이번 연구는 POSTECH 화학과 박수진 교수, 한동엽 박사, 화학공학과 김성룡 씨, KAIST 생명화학공학과 문홍철 교수 등이 공동으로 수행했으며, 과학기술정보통신부의 연구 지원을 받아 진행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH-KAIST Develop Next-Generation Technology to Boost Battery Performance by 1.5 Times

A joint research team from POSTECH (Pohang University of Science and Technology) and KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) has attracted attention by developing a new technology that simultaneously improves the energy capacity and safety of lithium-ion batteries. This achievement was recently published in Energy & Environmental Science, the world's most prestigious academic journal in the energy field.

If commercialized, this technology is expected to lead to thinner and longer-lasting smartphones and significantly increase the driving range of electric vehicles on a single charge.

The research team took a novel approach, focusing on the "electrode binder," which acts as an adhesive that binds the internal components of a battery. Previous attempts to increase energy density by thickening electrodes have hindered lithium-ion movement and reduced battery stability.

The "ionic soft polymer (ISP)" developed by a joint research team from POSTECH and KAIST goes beyond simple adhesive function. It is a functional material that firmly binds active materials and components within the electrode while also facilitating lithium ion transport.

Notably, ISP possesses an ionic molecular chain structure, and these structures align themselves to form "ion clusters." This acts as a kind of "ion highway" that allows lithium ions to move rapidly. This allows ions to move unimpeded during charging and discharging, even with thick or complex electrodes, significantly improving battery efficiency.

ISP possesses rubber-like flexibility, absorbing the repeated expansion and contraction during charging and discharging, preventing electrode damage. It also possesses self-healing properties that repair cracks, contributing to extended battery life.

The research team explained that ISP is also effective in enhancing overall stability by suppressing metal detachment and unnecessary chemical reactions from the electrode surface.

In actual experiments, a pouch-type battery using ISP achieved an energy density of 381.1 Wh per weight and 1,067.5 Wh per volume. These figures represent approximately 1.5 and 1.6 times higher than the average commercial pouch-type battery (250 Wh per weight and 650 Wh per volume, respectively), confirming its commercial viability.

Professor Park Soo-jin of POSTECH, who led the research, stated, "ISP can be widely applied beyond lithium-ion batteries to future batteries that require high-capacity electrodes, such as next-generation lithium metal batteries and solid-state batteries. This technology can also significantly contribute to enhancing the global competitiveness of the domestic secondary battery industry."

This research was jointly conducted by Professor Park Soo-jin of the Department of Chemistry at POSTECH, Dr. Han Dong-yeop, Kim Seong-ryong of the Department of Chemical Engineering, and Professor Moon Hong-chul of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at KAIST, with research support from the Ministry of Science and ICT.