국제 학술지 ‘Materials Horizons’ 논문 게재
강한 계면 상호작용과 구조적 안정성 갖춘 다기능성 자가치유 바인더 개발
고에너지 밀도 실리콘 음극 구현, 차세대 배터리 분야 활용 기대
공과대학 유기재료공학과 송우진 교수 연구팀이 차세대 리튬 이온 이차전지의 핵심 소재인 실리콘 음극의 부피 팽창과 열화 문제를 개선할 수 있는 다기능성 고분자 바인더 기술을 개발했다.
이번 연구 성과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Materials Horizons’(IF: 10.7, JCR 상위 10.37%)에 5월 게재되며, 차세대 배터리 핵심 소재 분야에서의 탁월한 연구 경쟁력을 입증했다. 이번 연구는 이해영, 이정민 석사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 이재원 교수와 송우진 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
실리콘은 기존 흑연 음극에 비해 이론 용량이 10배 이상 높아 고에너지 밀도 배터리를 구현할 수 있는 최적의 후보 물질로 꼽힌다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 극심한 부피 변화로 인해 전극 구조가 파괴되고 전자 전도 경로가 끊어지는 고질적인 안정성 문제가 상용화의 큰 걸림돌이었다.
이에 연구팀은 강한 계면 상호작용과 우수한 구조적 안정성을 동시에 확보한 ‘다기능성 자가치유(Self-healing) 바인더’를 새롭게 설계했다. 개발된 바인더는 실리콘 입자가 팽창하고 수축할 때 발생하는 구조적 응력을 효과적으로 소산하고, 손상된 네트워크를 스스로 회복함으로써 장기간 반복되는 충·방전 조건에서도 실리콘 음극의 기계적·전기화학적 안정성을 획기적으로 향상시켰다.
이번 연구에서 개발된 실리콘 음극용 고분자 바인더 기술은 실리콘의 고용량 특성을 안정적으로 활용할 수 있는 핵심 기술로, 차세대 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 향상과 장기 안정성 확보에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며, 과학기술정보통신부(MSIT) 재원으로 지원되는 NRF 과제(NRF-2022R1C1C1009974)와 과학기술정보통신부 재원의 나노 및 소재기술개발사업(Nano & Material Technology Development Program)을 통한 한국연구재단 지원 과제(RS-2024-00405905)의 지원을 받았다.
□ 논문 제목: A multifunctional self-healing binder with strong interfacial interactions and structural stability for high-energy-density silicon anodes
□ 논문 DOI: 10.1039/D6MH00372A
