월간전기

UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수팀이 전기 전도성과 수중 접착력이 모두 뛰어난 반결정성(semi-crystalline) 고분자 바인더를 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 반결정성 고분자(Semi-crystalline polymer) 구조를 기반으로 한 소재 설계를 통해 해결법을 찾고자 했고, 결정성과 비결정성 영역의 조화를 통해 수중에서도 우수한 접착력을 유지하면서, 동시에 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 신규 소재를 개발했다. 이번에 개발된 바인더는 불소계 화합물을 포함하지 않아 유럽연합(EU)의 과불화합물(PFAS) 규제에 대응한 전기차 배터리 소재로도 잠재력이 있다.

바닷물로 전기를 저장하는 해수전지의 수명과 에너지 효율을 동시에 잡을 수 있는 물질이 개발됐다. UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수팀이 전기 전도성과 수중 접착력이 모두 뛰어난 반결정성(semi-crystalline) 고분자 바인더를 개발하는 데 성공했다.

해수전지(Seawater battery 또는 Sodium-air battery)란 바닷물을 양극부 전해질로 사용하는 이차전지를 말한다. 해수를 사용하기 때문에 자원 이용 측면에서 매우 경제적이며, 나트륨 기반이므로 리튬보다 자원이 풍부하고 저렴하다는 장점이 있다. 집전체(고체), 해수(액체), 산소(기체)가 맞닿아 복잡한 반응계가 형성되며, 고에너지 밀도와 장시간 저장 특성으로 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다.

바인더(Binder)는 전극 소재들의 결착력을 높여 전지 성능 개선이 가능한 소재 중 하나이다. 현재 상용화된 바인더는 주로 불소 계열 고분자(PVDF, Nafion 등)로, 이들은 전기 절연성이 크고 수중 환경에서 접착력이 급격히 저하되는 문제가 있다. 특히 수계 환경에서는 이러한 한계가 더욱 두드러지며, 전극 구조의 안정성 및 전지 수명에 부정적인 영향을 준다. 게다가 유럽연합(EU)의 과불화화합물(PFAS) 규제가 강화되면서, 기존 바인더 소재의 사용이 제한되고 있다.

배터리 전극은 여러 물질이 섞인 복합구조로, 이들을 단단히 접착해주는 바인더가 성능을 좌우한다. 특히 해수전지는 물속에서 장시간 작동해야 하므로, 수중 접착력을 지니면서도 전기까지 잘 전달할 수 있는 바인더 개발이 꼭 필요했다.

연구팀은 반결정성 고분자(Semi-crystalline polymer)1)구조를 기반으로 한 소재 설계를 통해 해결법을 찾고자 했고, 결정성과 비결정성 영역의 조화를 통해 수중에서도 우수한 접착력을 유지하면서, 동시에 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 신규 소재를 개발했다.

일반적으로 사용되는 고분자 바인더는 전자의 이동이 억제되는 절연체 특성을 가지고 있으며, 특히 수중에서 낮은 접착력으로 촉매 및 집전체와 탈착되는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서 합성된 고분자 바인더(DPTA631)는 카테콜(catechol), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 안트라센(anthracene) 아크릴레이트 기반의 단량체를 사용하여 합성되었다. 고분자 설계 단계에서 각 단량체들은 수중 환경에서도 높은 접착력을 유지하고, 친수성으로 인한 전해질 젖음성을 확보하고, 우수한 전기 전도성을 갖도록 사용됐다.

안트라센 그룹의 π-π 결합을 통하여 형성된 반결정성 구조는 3차원적으로 효율적인 전자 이동 통로를 제공하여 바인더의 전기 전도성을 향상시킨다. 다양한 결정성 분석(GIXD, POM, TEM)을 통하여 안트라센 그룹이 수중 환경에서 반결정성을 쉽게 유도하는 것을 확인하였으며, 면적 저항 측정 결과 상용 바인더 PVDF 대비 최대 40% 이상 낮은 저항값을 보였다.

연구팀이 설계한 반결정성 바인더는 하나의 물질 안에 비결정성과 결정성 영역이 섞여 있는 구조라 접착력이 뛰어나고 전기도 잘 흐른다. 고분자가 규칙적으로 배열된 결정성 영역은 전자가 곧게 이동할 수 있는 통로를 제공해 전기 전도성을 높이며, 비결정성 영역에서는 고분자 사슬이 유연하게 움직이면서 표면과 결합하기 쉬워져 접착력에 기여한다.

개발된 바인더를 적용하자, 기존 PVDF 바인더를 쓴 경우보다 수명이 3.3배 늘었다. 기존 PVDF 바인더는 초기 구동부터 120시간 동안 급격한 성능 저하가 나타났지만, 새 바인더는 400시간 이상의 중기 안정성과 1,200시간의 장기 수명까지 입증했다.

반응 효율에 영향을 주는 과전압도 최대 66% 감소해 같은 조건에서 더 적은 에너지로도 전지 작동이 가능해졌다. 또 충전 대비 방전으로 뽑아 쓸 수 있는 전기에너지양도 26% 증가했으며, 최대 출력도 96% 늘었다.

연구팀은 바인더의 결정성 분석과 전기 전도성, 접착력 측정을 통해 이러한 성능 향상의 원인을 규명했다. 분석 결과, 결정성 영역은 전자가 직선 고속도로처럼 빠르게 이동할 수 있는 통로를 제공할 뿐만 아니라, 무작위로 배향돼 여러 방향으로 연결된 전자 흐름 경로가 생겼다. 또한 우수한 접착력은 비결정성 영역에서 생기는 바인더와 금속 촉매 입자 간의 금속 배위 결합 덕분인 것으로 분석됐다.

결과적으로 본 연구는 구조-기능 통합형 고분자 바인더의 설계를 통해 전도성, 접착력을 동시에 확보할 수 있음을 보여주었으며, 해수전지를 포함한 다양한 수계 금속-공기 전지에 적용 가능한 고기능성 바인더 플랫폼을 제시했다.

한편, 이번에 개발된 바인더는 불소계 화합물을 포함하지 않아 유럽연합(EU)의 과불화합물(PFAS) 규제에 대응한 전기차 배터리 소재로도 잠재력이 있다. 유럽연합은 환경 잔류성과 인체 유해성 문제로 현재 PVDF를 포함한 과불화화합물의 사용을 단계적으로 금지하는 방침을 추진 중이다.

제1저자인 황정욱 연구원은 “이번 연구는 반결정성 고분자 설계를 통해 기존 바인더의 한계를 극복하고, 해수전지의 성능 향상시킬 수 있음을 입증했다”며, “향후 다양한 전자소재, 수계 금속 전지 및 에너지 저장 시스템으로의 확장이 기대된다”고 전했다.

이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과의 강석주 교수, 이현욱 교수, 김영식 교수, 고현협 교수, 반도체소재부품대학원의 신태주 교수와의 협업으로 이루어졌으며, 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 창의도전연구 기반지원사업, 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 『에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF 32.4)』에 지난 3월 31일 게재됐다.

1) 결정(crystallinity) 영역과 무정형(amorphous) 영역이 혼재한 고분자. 결정 영역의 우수한 전도성과 무정형 영역의 유연성 및 가공성을 부여한다. 이러한 두 영역을 조절하여 기능성 고분자 설계에 활용된다.