고에너지 저장/고안정성 섬유형 리튬이온 배터리 집전체 개발
조진한 교수팀 연구결과, 해당 분야 권위 학술지 Energy Storage Materials 게재돼

▲ 왼쪽부터 고려대 화공생명공학과 조진한 교수(교신저자), 용의주 연구원(제1저자), 

고용민 대구경북과학기술원(DGIST) 박사(공동교신저자, 본교 화공생명공학과 교우), 김병현 KBSI 박사(공동교신저자)

고려대 화공생명공학과 조진한 교수 연구팀, 한국에너지기술연구원 김병현 박사 연구팀, DGIST(대구경북과학기술원) 고용민 박사 연구팀, 그리고 KBSI(기초과학지원연구원) 김양수 박사 연구팀은 계면 상호작용을 기반으로 전기화학적으로 활성화된 섬유 집전체를 구현함으로써 높은 에너지 저장 성능과 전기화학적 구동 안정성을 동시에 지닌 리튬이온 배터리용 텍스타일 집전체 전극 개발에 성공했다.

기존 상용화된 리튬이온배터리 음극은 평판 형태의 구리 포일 (Cu foil)위에 활물질 (에너지 저장 기능을 갖는 물질)을 코팅하여 사용하고 있으며, 구리 포일 자체의 에너지 저장 성능은 거의 무시될 정도로 미미했으며 단지 집전체로만 사용되어왔다. 또한, 이러한 구리 포일의 평판 구조는 활물질의 도입량을 증가시킬 경우, 전극이 두꺼워지며 활물질 층 내의 전하/전자 이동의 한계로 인해 우수한 성능 구현의 어려움이 있었다.

이러한 문제점를 극복하기 위해, 단위 면적당/부피당 표면적이 넓은 3차원 구조의 다공성 소재(금속 폼, 탄소 기반 소재)를 이용한 전극 제작이 폭넓게 연구가 진행되며 전극 성능 개선의 발판을 마련했지만, 전극의 비표면적, 집전체의 전기전도성, 그리고 활물질과의 결합 안정성 측면에서의 여러 한계점들이 여전히 존재했으며, 집전체 자체의 에너지 저장 기능을 부여하려는 노력은 거의 없었다.

이에 연구팀은 계면 상호작용을 이용하여 다공성 섬유 지지체에 탄소나노튜브와 금속 나노입자 기반의 전도성 박막을 도입하고 추가적인 전기도금을 통해 구리층을 섬유가닥 표면에 균일하게 코팅함으로써 높은 비표면적과 전기전도성이 동시에 확보된 우수한 섬유기반 집전체를 개발했으며 집전체 자체에서도 높은 에너지 저장 기능 및 구동 안정성을 확보할 수 있었다. 

계면 상호작용을 이용한 탄소나노튜브와 금속 나노입자의 전도성 박막 도입과 추가적인 전기도금 기법을 통해 섬유 고유의 특성(넓은 비표면적, 기계적 유연성, 경량화 등)을 유지할 뿐만 아니라 활성 면적 극대화 및 높은 전도성을 확보한 우수한 섬유형 집전체를 제작할 수 있었다. 이후 산화과정을 통해 구리층 표면에 전기화학적 활성을 가진 구리-산화층(CuO, Cu2O)이 고르게 형성되어 전하 집전 능력뿐만 아니라 우수한 에너지 저장 성능을 발현할 수 있는 전기화학적 활성화된 섬유형 집전체를 확보하였다. 에너지 저장 성능의 추가적인 향상을 위해 음극용 활물질 (Li4Ti5O12, LTO)을 추가적으로 코팅하여 고에너지 밀도의 섬유형 에너지 저장 전극을 최종적으로 개발할 수 있었다.

특히, 이러한 기술은 (계면 상호작용 기반으로) 섬유의 다공성 구조를 유지함과 동시에 벌크 금속에 준하는 전기전도성을 확보하여 활성 면적을 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 구리-산화층 형성을 통한 에너지 저장 기능을 갖는 집전체와 LTO 나노입자의 시너지효과를 통해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있었고 이러한 독특한 전극 설계는 기존에 보고된 다공성 집전체 전극들과 차별화된다. 제작된 구리 기반의 섬유형 집전체기반의 전극은 기존에 보고된 다공성 전극들 대비 매우 높은 단위 면적당 방전 용량(8.60 mA h cm-2)과 함께 높은 구동 안정성을 보였다.

제1저자인 용의주 연구원은 “이번 연구는 집전체 자체에서 높은 전기 전도도 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 동시에 갖고 있기 때문에 활물질과 결합했을 때 전체적인 에너지 밀도를 획기적으로 크게 향상시킬 수 있는 방안”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 재료과학 및 나노과학/기술 분야의 권위 학술지인 에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials, IF = 20.831)에 미국 현지시간 5월 10일에 온라인 게재됐다.

[ 그 림 설 명 ]

▲ 계면 상호작용 기반 전기화학적으로 활성화된 섬유형 전극 제작 방법 모식도
다공성 섬유 위 카르복실기로 개질된 MWCNT(COOH-MWCNT)/아민기로 구성된 단분자 링커(TREN)간의 결합과 TREN/리간드로 캐핑된 금속 나노입자 사이의 결합을 통해 해당 물질들을 균일하게 쌓음으로써 표면적, 전기전도성 및 활성 자리를 구현한다. 이후, 구리 도금을 통해 높은 전기전도성이 확보된 음극형 집전체를 제작하고, 추가로 대표적인 음극재 물질인 LTO 나노입자 기반 슬러리를 닥터블레이딩과 진공 여과법을 통해 구리 도금된 집전체 위 균일한 도포를 통해 고성능/고안정성 에너지 저장 전극을 최종적으로 제작한다.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)