[스마트경제=복현명 기자] 전주원·도영락 국민대학교 응용화학부 교수 연구팀이 공동으로 자가치유가 가능한 다기능성 바인더를 사용해 ‘자가치유가 가능한 실리콘 음극’을 개발했다.
실리콘 음극은 상용적으로 사용되고 있는 흑연보다 저장이론용량이 10배 정도 높은 고용량 음극소재이다.
하지만 충방전시 부피팽창이 ~300%정도로 크기 때문에 전극탈리, 실리콘 입자 분쇄, 연속적인 SEI(solid-electrolyte interface) 층 형성으로 인한 전해질 소모 등으로 인해 싸이클 수명이 짧은 문제점이 있다.
이에 공동연구팀은 스스로 손상된 부위를 치유할 수 있는 자가치유 고분자(PDPP)를 개발하고 이를 실리콘 음극재 바인더로 이용해 싸이클 안정성이 향상된 실리콘 음극(SiNP-PDPP)을 성공적으로 제조했다.
자가치유 바인더가 사용된 음극은 충방전시 크랙이 거의 관찰되지 않았으며 250 싸이클 후에 2050 mAh/g에 달하는 저장용량을 가졌으며 이는 기존 바인더(polyacrylic acid) 대비 향상된 안정성을 보였다.
자가치유 바인더를 이용해 제조된 실리콘 음극(SiNP-PDPP)은 그림처럼 충방전시 임의로 만들어진 상처(스크래치)를 스스로 치유할 수 있었으며 이는 소량의(<20wt%) 바인더를 이용해 실리콘 음극을 배터리 작동조건하에서 자가치유 시킬 수 있다는 것을 의미한다.
또한 본 연구에서는 세계 최초로 물리화학적인 방벙을 이용해 실리콘 전극의 자가치유 성능을 정량화했으며 실리콘 전극이 4시간 동안 전해질과 접촉해 있을 때 52-82%의 자가치유 효율을 가진다는 것을 실험적으로 보여줬다.
이번 연구 결과는 재료과학, 나노화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Small(IF 15.153, JCR 상위 6.52%)’에 2023년 3월 1일자로 게재됐으며 연구수행은 한국연구재단(NRF)의 지원으로 이뤄졌다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
