울산과학기술원(UNIST) 이동욱 교수팀이 바닷물로 전기를 저장하는 해수전지의 수명과 에너지 효율을 동시에 개선할 수 있는 신소재를 개발했다고 27일 밝혔다.

에너지화학공학과 이동욱 교수 연구팀은 전기 전도성과 수중 접착력이 모두 뛰어난 반결정성(semi-crystalline) 고분자 바인더를 개발했다.

배터리 전극은 여러 물질이 섞인 복합구조로, 이들을 단단히 접착해주는 바인더가 성능을 좌우한다. 특히 해수전지는 물속에서 장시간 작동해야 하므로, 수중 접착력과 전기 전달 능력을 모두 갖춘 바인더 개발이 필요했다.

이번에 개발된 반결정성 바인더는 하나의 물질 안에 비결정성과 결정성 영역이 공존하는 구조다. 고분자가 규칙적으로 배열된 결정성 영역은 전자가 곧게 이동할 수 있는 통로를 제공해 전기 전도성을 높이고, 비결정성 영역에서는 고분자 사슬이 유연하게 움직이며 표면과 결합하기 쉬워져 접착력을 향상시킨다.

새 바인더를 적용한 결과, 기존 PVDF 바인더보다 수명이 3.3배 증가했다. 기존 바인더는 초기 구동부터 1밤 8시간 동안 급격한 성능 저하가 나타났지만, 새 바인더는 400시간 이상의 중기 안정성과 1200시간의 장기 수명을 입증했다.

또 반응 효율에 영향을 주는 과전압이 최대 66% 감소해 같은 조건에서 더 적은 에너지로도 전지 작동이 가능해졌다. 충전 대비 방전으로 사용할 수 있는 전기에너지양도 26% 증가했으며 최대 출력은 96% 향상됐다.

이번에 개발된 바인더는 불소계 화합물을 포함하지 않아 유럽 연합의 과불화합물(PFAS) 규제에 대응한 전기차 배터리 소재로도 잠재력이 있다. 유럽 연합은 환경 잔류성과 인체 유해성 문제로 PVDF를 포함한 과불화화합물의 사용을 단계적으로 금지하는 방침을 추진 중이다.

제1저자인 황정욱 연구원은 "이번 연구는 반결정성 고분자 설계를 통해 기존 바인더의 한계를 극복하고, 해수전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 입증했다"며 "앞으로 다양한 전자소재, 수계 금속 전지 및 에너지 저장 시스템으로의 확장이 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과의 강석주, 이현욱, 김영식, 고현협 교수와 반도체소재부품대학원의 신태주 교수와의 협업으로 이뤄졌으며 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)에 3월 31일 게재됐다.