서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀, 전극 수명과 재활용성을 모두 잡은 차세대 배터리 바인더 설계

▲ (좌측부터) 서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수, 권진용 석박통합과정생

서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀(제1저자: 권진용 석박통합과정생)은 한국화학연구원(KRICT) 연구진과 협력하여 ‘이중 동적 상호작용 기반 완전 순환형 재활용 가능 실리콘 음극재용 바인더’를 새롭게 설계하였다.

실리콘 기반 음극재는 지구상에 풍부하게 존재하며 높은 에너지밀도를 보여 차세대 리튬 이온 배터리용 음극재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘 음극재는 충방전 과정 중 큰 부피 변화로 인한 성능 열화로 인해 공유 결합형 또는 가교형 바인더(Binder)를 사용하여 전극을 안정화하는 것이 필수적이다. 하지만 이러한 바인더는 전지 구동 후 회수 및 분리가 어려워 전지 재활용에 적합하지 않다는 문제점이 존재했다.

이에 연구진은 입체장애 우레아(Hindered Urea) 상호작용과 보로닉 에스터(Boronic Ester) 상호작용이 동시에 가능한 바인더를 도입하여 전극 내 가역적 가교형 네트워크를 형성하여 전극의 기계적 물성을 높이며 전극 내부에서 자가 치유가 가능하도록 제어했다. 이러한 설계는 전지 구동 시 전기화학적 성능을 향상할 뿐만 아니라 전지 구동 이후 간단한 수계 처리를 통해 가교 네트워크가 분해되어 바인더 및 전극 구성 요소 (실리콘 활물질, 도전재, 바인더)가 분리 및 회수되도록 유도하였다. 이는 기존의 고온/산 처리 기반 재활용에 대비하여 공정성 및 친환경성이 높으며 회수한 물질의 완전 재활용이 쉽다는 장점이 있다.

▲ 이중 동적 상호작용 바인더의 작동 및 재활용 메커니즘(위)과 완전 재활용 전지의 성능 특성(아래)

그 결과, 본 연구에서 사용한 바인더(C15DDB)를 사용한 전지는 0.5C(2시간 충·방전) 조건에서 250회 사이클링 후에도 초기 용량의 82%를 유지하였으며, 구동 후 회수한 전극 물질을 완전히 재활용하여 제작한 전지 또한 두 번째 재활용까지 안정적인 사이클 수명 특성을 보였다 (그림 참조).

류재건 교수는 “이번 연구는 동적 공유결합형 바인더를 활용하여 전지 구동 이후 모든 전극 구성 성분의 분리, 회수 및 재활용을 시도한 최초의 접근”이라며, “이번 연구는 기능성 바인더를 기반으로 전기화학적 성능 향상 및 전극 성분의 재활용 가능성을 동시에 부여한 사례로, 향후 친환경·고에너지밀도 이차전지 설계에 중요한 영감을 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.

해당 성과는 화공분야 국제 저명 학술지 Chemical Engineering Journal (Impact factor: 13.2, JCR 상위 3.0%)에 게재되었으며, 본 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단(NRF)과 한국화학연구원의 지원을 받아 수행되었다.

▶논문제목: “Dual dynamic network architecture toward circular utilization of bulk Si-based anodes for sustainable Li-ion batteries”

(공동1저자: 권진용, 유지홍 박사, 공동교신저자: 김진철 박사, 류재건 교수)

▶논문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472512514X

▶연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jryugroup/home