국민대학교(총장 임홍재) 응용화학부 전주원 · 도영락 교수팀이 공동으로 자가치유가 가능한 다기능성 바인더를 사용하여 ‘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 인하여, 싸이클 수명이 짧은 문제점이 있다.

이에 공동연구팀은 스스로 손상된 부위를 치유할 수 있는 자가치유 고분자(PDPP)를 개발하고, 이를 실리콘 음극재 바인더로 이용하여, 싸이클 안정성이 향상된 실리콘 음극(SiNP-PDPP)을 성공적으로 제조하였다. 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 이용하여 제조된 실리콘 음극(SiNP-PDPP)은 그림처럼 충방전시 임의로 만들어진 상처(스크래치)를 스스로 치유할 수 있었으며 이는 소량의(<20wt%) 바인더를 이용하여 실리콘 음극을 배터리 작동조건하에서 자가치유 시킬 수 있다는 것을 의미한다.

또한 본 연구에서는 세계 최초로 물리화학적인 방벙을 이용하여 실리콘 전극의 자가치유 성능을 정량화하였으며 실리콘 전극이 4시간 동안 전해질과 접촉해 있을 때 52-82 %의 자가치유 효율을 가진다는 것을 실험적으로 보여주었다.

이번 연구 결과는 재료과학, 나노화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Small(IF 15.153, JCR 상위 6.52%)’에 2023년 3월 1일자로 게재되었으며 연구수행은 한국연구재단(NRF)의 지원으로 이뤄졌다. 

 (논문명: Self-Repairable Silicon Anodes Using a Multifunctional Binder for High-Performance Lithium-Ion Batteries )

그림. SiNP-PDPP 표면에 임의로 만든 스크래치가 50 싸이클 후에 자가치유된 SEM 이미지.

 국민대 도영락                           전주원 교수      

[용  어  설  명]

1. 열전소재
열전 효과가 발생하는 소재. 열전효과란 열과 전기 사이의 관계를 나타내는 효과를 모두 이른다. 대표적으로 온도차이(온도구배)에 의해 기전력(전압)이 발생하는 제베크(Seebeck)효과와 역으로 전류를 흘려서 열의 발생이나 흡수가 일어나는 현상인 펠티에 (Peltier)효과가 있다. 제베크 계수(Seebeck coefficient)는 단위 온도 당 발생하는 기전력의 크기를 나타낸다.

2. 소레(Soret) 효과
제베크 효과와 유사하게 온도차에 의해 기전력이 발생하는 효과. 제베크 효과와 달리 소레 효과는 이온이 열에 의해 확산되는 현상(thermodiffusion)에 의해 발생한다.

3. 이온성 열전 성능 지수(Ionic thermoelectric figure of merit, ZTi)
열전소재의 에너지 변환 효율을 평가하는 지표. 열전기력과 전기전도도에 비례하며 열전도도에 반비례한다. 

4. 슈퍼커패시터
전극 표면에서 전자와 이온의 흡·탈착해 에너지를 저장하는 장치