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최장욱(1기) 장학생, 분자도르레 이용한 고용량 이차전지 기술 개발

전기차의 에너지원인 리튬이온전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 원천기술이 국내 연구진에 의해
개발됐다.

한국과학기술원 최장욱 교수(삼성장학회 1기 장학생)·코스쿤 알리
교수 연구팀은 지난해 노벨화학상 연구내용인 '분자 도르래 구조'를
실리콘 음극에 적용해 이차전지의 수명을 획기적으로 개선했다고
'17.7.21일 밝혔다. 관련 논문은 이날 학술지 '사이언스(Science)'에
게재됐다.

실리콘 음극은 현재 쓰이는 흑연 음극보다 5배 이상 많은 리튬이온을
저장할 수 있고 자원이 풍부해 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.
하지만 실리콘은 충전 과정에서 부피가 크게 늘어나 입자가 부서지거나
전극 전체가 벗겨져 충전과 방전을 수십 회 이상 반복하기 어렵다.

움직도르래와 분자 도르래 바인더의 구조 <한국과학기술원 제공> : 거시세계의 움직도르래는 움직도르래의 개수(n)이 증가할수록 2n에 비례하여 줄에 걸리는 장력이 감소한다 (위).같은 원리를 갖는 분자 도르래인 폴리로텍세인(Polyrotaxane)은 폴리아크릴산(PAA)이라는 기존 고분자에 화학적으로 가교되어 본 연구의 배터리 바인더로 활용 되었다 (아래).

최 교수 연구팀은 분자 도르래 구조를 적용한 고용량 이차전지 고분자 바인더를 개발해 지금까지 사실상
사용이 불가능한 소재였던 실리콘을 이차전지에 활용할 수 있는 길을 텄다.
최장욱 교수는 "이 연구는 지난해 노벨화학상을 수상한 분자 구조가 고용량 이차전지 소재 개발에 최초로
적용된 사례"라며 "고에너지 밀도의 이차전지, 즉 1회 충전 시 더 오랜 시간을 사용할 수 있는 이차전지
개발에 핵심 기술로 쓰일 것으로 기대한다"고 말했다.

분자도르래 바인더(위)와 기존 바인더의 작동 원리(아래) <한국과학기술원 제공>

실리콘 음극을 이용할 수 있으려면 충전시 부피가 팽창해 입자가 부서지는 현상을 막아야 한다.
연구팀은 분자 도르래 구조에서 해법을 찾았다. 분자 도르래 구조는 고분자 사슬에 고리가 들어간 분자구조로
연구진은 이를 거시세계의 움직도르래처럼 활용해 충전 과정에서 실리콘 입자가 붕괴하는 걸 막을 수 있었다.
움직도르래는 회전축이 고정되지 않고 이동하는 도르래로 움직도르래를 추가할 때 마다 물체를
들어올릴 때의 힘의 크기가 절반씩 줄어든다.

논문의 공동저자인 한국과학기술원의 최성훈 연구원은 "움직도르래는 적은 힘을 이용해 물체를 들어올리는
것인데 이를 역으로 이용해서 실리콘이 팽창을 할 때 고분자 바인더에 걸리는 힘을 줄여 줄 수 있어 구조적인
안정성을 확보할 수 있다”며 “탄성 역시 좋아서 방전 과정에서 실리콘 입자가 수축할 때 원래 형태로
복원할 수 있게 만든다”고 설명했다. 연구결과 탄성이 높은 분자도르래가 실리콘 전극을 안정적으로
잡아줘서 부피 팽창이 500회 이상 반복해도 실리콘이 부서지거나 전극에서 떨어지지 않았다.
전극 용량도 현재 IT 기기에 쓰이는 리튬이온전지의 수준을 상회했다.

가볍고 부피가 작으면서도 용량이 큰 배터리는 전기차 대중화를 위한 선결과제의 하나로 꼽힌다.
현재 전기차의 리튬이차전지는 에너지 밀도가 낮아 1회 충전 시 주행거리가 제한적이다. 실리콘 음극을
이용한 이차전지가 상용화되면 흑연 음극을 이용한 것보다 더 값싸면서도 고용량인 이차전지를 생산할 수
있다. 최 연구원은 "실리콘 음극을 이용한 이차전지는 흑연전지보다 동일 무게와 부피를 가정할 경우
다섯배 이상으로 용량을 키울 수 있다"며 "우리가 만든 실험용 배터리는 상용수준은 아니지만 안정적으로
구동됐다"고 설명했다.

연구팀은 향후 실리콘 이외의 다른 소재에도 분자도르래를 응용할 수 있는지 살피고 실리콘 음극을 이용한
이차전지 상용화를 위한 기업과의 연계 연구도 진행할 계획이다. 최 교수는 "실제 이차전지 제품에
적용할 수 있도록 상용 전극에 분자도르래 바인더를 적용하고 분자도르래의 작동 원리를 분자 수준에서
면밀하게 이해하는 것"을 향후 연구 과제로 제시했다.

1기 최장욱 장학생 논문보기 : http://science.sciencemag.org/content/357/6348/279

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