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학술

병솔형 고분자 기반 고용량의 양극재 바인더 개발

11월 21일, 'Advanced Energy Materials' 온라인판에 발표

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방준하 고려대 교수-이상영 연세대 교수 공동연구팀 연구결과, 
고에너지 리튬이온 전지의 핵심 소재인 고용량 양극재 바인더


 
고려대학교 화공생명공학과 방준하 교수팀은 연세대 화공생명공학과 이상영 교수팀과 함께 고에너지 리튬이온 전지개발에 핵심이 되는 양친성 병솔형 고분자 기반의고용량 양극재용 바인더를 개발했다.

* 양친성 병솔형 고분자 : 소수성의 Polynorbornene (PNB) 주사슬과 친수성의 Polyacrylic acid (PAA) 곁사슬로 구성된 3차원 구조의 고분자이다. 3차원의 병솔형 구조로 인해 전극 내에서 효과적으로 분산이 되며, 충·방전 시 쉽게 분해되지 않아 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.



 이번 연구 결과는 한국시간 11월 21일 에너지 소재 분야 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’(Impact Factor: 29.368) 온라인판에 실렸다.




- 저자정보 : 문준수 석박통합과정 (제1저자, 고려대학교), 김낙영 (제1저자, 연세대학교), 류명화 (연세대학교), 김승혁 (UNIST), 김정희 (UNIST), 김주명 (교신저자, UNIST), 이상영 (교신저자, 연세대학교),  방준하 (교신저자, 고려대학교) (총 8명)
- 논문명 : Amphiphilic Bottlebrush Polymeric Binders for High-Mass-Loading Cathodes in Lithium-Ion Batteries
- 논문게재지 : Advanced Energy Materials
 (2021년 11월 21일 online published, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102109)





전 세계적으로 고에너지 밀도의 리튬이온 전지의 수요가 계속 높아지고 있다. 특히 친환경 이슈와 함께 전기차 시장이 커짐에 따라 리튬이온 전지의 고용량, 빠른 충·방전을 위한 고전압 조건을 충족시키기 위해 효과적인 활물질 개발과 관련된 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 





그러나 전극 활물질 소재가 주목할 만한 발전을 이뤘던 것과 달리 전극의 또다른 핵심 소재 중 하나인 고분자 바인더 개발은 상대적으로 지지부진한 상황이다. 고에너지 밀도를 구현하기 위해 제작된 전극의 경우 기존에 많이 사용되고 있는 PVDF와 같은 바인더를 적용하기에는 분산성 저하 및 낮은 접착성 등 여러 문제점이 있다. 따라서, 균일한 전자 이온 전도 네트워크를 형성하거나 전극 활성층과 전극 집전체 사이의 충분한 접착력을 유지하기 위해서 새로운 기능성 바인더 소재 개발의 필요성이 대두되고 있다. 

방준하 교수팀은 양친성을 가진 병솔형 구조의 고분자를 신규 바인더 소재로 디자인하여 기존의 양극재 고분자 바인더가 가지고 있는 문제점을 해결했다. 

양친성 병솔형 고분자는 소수성의 Polynorbornene (PNB) 주사슬과 친수성의 Polyacrylic acid (PAA) 곁사슬로 구성된 3차원 구조의 고분자다. 3차원의 병솔형 구조로 인해 전극 내에서 효과적으로 분산이 되며, 충·방전 시 쉽게 분해되지 않아 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 주사슬과 곁사슬을 양친성으로 구성하여 전해액으로 인해 발생되는 부피 팽창을 최소화하고, 알루미늄 집전체와의 수소결합으로 인해 강한 접착력을 보이는 것을 확인했다. 이를 통해 균일한 전자 이온 전도 네트워크를 형성하여 전기화학적, 물리적으로 뛰어난 성능을 보이는 양극재 바인더를 개발했다.

양친성 병솔형 고분자 바인더를 이용하여 1wt%의 매우 적은 함량으로도 27mg cm-2 areal mass loading, 5.2 mAh cm-2 areal capacity를 가지는 대용량 전극을 제작했으며, 반복적인 충·방전 시에도 안정적으로 성능이 유지되는 것을 확인했다. 이 결과는 이전 연구들에서 보고된 것보다 월등히 우수한 성능이며, 이는 양친성 병솔형 고분자의 구조적 특이성과 화학적 기능성이 양극재 바인더로 적용되었을 때 아주 효과적으로 작용한다는 것을 보여준다.





해당 연구에 대해 방준하 교수는 “기존에 많이 사용되고 있는 PVDF와 같은 선형 고분자 바인더를 효과적으로 대체할 수 있는 새로운 바인더 핵심소재를 개발했다는 데에 큰 의미가 있다.”며 “이를 통해 고에너지 밀도의 리튬이온 전지 개발이 더욱 활발히 이루어질 것으로 예상되며, 전기차와 ESS (Energy storage system) 등 관련 산업 전반의 발전을 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.



그림 설명

                 
[그림1] A) 기존 PVDF 바인더로 제작된 전극과 양친성 병솔형 고분자 바인더로 제작된 전극 모식도. B) 양친성 병솔형 고분자 합성 모식도. 양친성 병솔형 고분자의 구조적 특이성과 화학적 기능성이 양극재 바인더로 적용되었을 때 효과적으로 작용한다는 것을 보여준다.






[그림2] 양친성 병솔형 고분자 바인더를 활용한 대용량의 전극 제작. 고용량, 고에너지 밀도의 리튬이온전지를 제작할 수 있으며, 많은 충방전에서도 안정적으로 구동하는 것을 확인할 수 있다. 



- 문준수 박사[제1저자] 이력사항

1. 인적사항                             
 ○ 성 명 : 문준수
 ○ 소 속 : 고려대학교 공과대학 화공생명공학과
 ○ 전 화 : 010-4907-2826
 ○ e-mail : lingo2826@gmail.com

2. 학력
 ○ 2015년 : 경희대학교 화학공학과 (학사)
 ○ 2021년 : 고려대학교 화공생명공학과 (박사) 

3. 경력사항 
 ○ 2021년~현재 : LG 화학 책임연구원

4. 전문 분야
 ○ 유기합성, 고분자 중합
 ○ 고분자 복합소재



- 방준하 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                          
 ○ 성 명 : 방준하
 ○ 소 속 : 고려대학교 공과대학 화공생명공학과                 
 ○ 전 화 : 02-3290-3309  
 ○ e-mail : joona@korea.ac.kr 

2. 학력
 ○ 2004년 : University of Minnesota, Department of Chemical Engineering (박사)
 ○ 1999년 : 서울대학교 화학공학과 (학사)

3. 경력사항
 ○ 2004~2006년 : 박사 후 연구원(Postdoc), University of California, Santa Barbara
 ○ 2006~2015년 : 고려대학교 공과대학 화공생명공학과, 조교수, 부교수
 ○ 2015년~현재 : 고려대학교 공과대학 화공생명공학과, 정교수

4. 전문 분야
 ○ 기능성 고분자 합성 및 응용
 ○ 블록공중합체 리소그래피/나노 복합재료



이상영 교수(교신저자) 이력사항

1. 인적사항   
 ○ 성 명 : 이상영
 ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과
 ○ 전 화 : 02-2123-2754
 ○ e-mail : syleek@yonsei.ac.kr

2. 학력
 ○ 1991 서울대학교 공업화학과 학사
 ○ 1993 한국과학기술원 화학공학과 석사
 ○ 1997 한국과학기술원 화학공학과 박사

3. 경력사항 
 ○ 2001~2002 막스-플랑크 연구소, Post Doc.
 ○ 1997~2008 LG화학 기술연구원 전지연구소 책임연구원
 ○ 2008~2012 강원대학교 화학공학과 부교수
 ○ 2012~2020 울산과학기술원 교수
 ○ 2020~현재 연세대학교 화공생명공학과 교수

4. 전문 분야
 ○ 플렉서블 이차전지 소재 및 시스템, 고분자 전해질 및 이온전달 기능성 막


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