배터리융합공학과

KANGWON NATIONAL UNIVERSITY

강원대학교(총장 정재연) 춘천캠퍼스(캠퍼스총장 유기억) 문화예술·공과대학 배터리융합공학과 김영진·최성훈 교수 연구팀은 나트륨이온전지의 양극과 알루미늄 집전체 사이 접합부를 강화해 전지 수명을 향상시키는 원리를 규명하고, 관련 연구논문을 물리·화학·나노과학 분야 국제학술지 「Small」에 게재했다.

이번 연구는 나트륨이온전지의 충·방전 과정에서 양극재의 반복적인 부피 변화로 전극과 집전체 사이 접합부가 박리되면서 용량이 감소하는 문제에 주목했으며, 새로운 전극 소재를 개발하는 대신 기존 제조공정에 적용 가능한 카본 프라이머 코팅 집전체를 활용해 접합부의 안정성을 높이는 방식으로 전지 수명을 개선했다.

연구진은 「Synergistic Electrostatic and Mechanical Anchoring at Cathode–Current Collector Junctions for Durable Sodium-Ion Batteries」를 주제로, 카본 프라이머 코팅 집전체의 작동 원리를 분석했으며, ▲집전체 표면의 기계적 맞물림 ▲양극재의 부피 변화를 흡수하는 완충 작용 ▲프라이머와 전극 바인더 사이의 정전기적 결합이 복합적으로 작용해 전극과 집전체 사이의 접착력을 높이는 것을 확인했다.

특히 카본 프라이머를 적용한 전극은 접착력이 기존 대비 14배 이상 높아졌으며, 이를 적용한 완전지는 300회 충·방전 이후에도 초기 용량의 88.7%를 유지해 접합부 설계만으로 나트륨이온전지의 장기 안정성과 수명을 크게 향상할 수 있음을 입증했다.

연구진은 실시간 X선 회절 분석과 전극 단면의 나트륨 분포 분석을 통해 양극–집전체 접합부가 안정적으로 유지될수록 전극 전체에서 균일한 전기화학 반응이 일어나는 것을 확인했으며, 나트륨이온전지의 성능 저하 원인이 양극 소재 자체뿐 아니라 집전체와의 접합부에도 있다는 점을 규명해 폴리음이온계 양극재의 장수명화를 위한 새로운 설계 기준을 제시했다.

이번 연구는 최시은 배터리융합공학과 대학원(석사) 졸업생이 제1저자로 참여하고 박승훈 화학공학전공 학부생 등이 공동저자로 참여했으며, 학생들이 실제 이차전지의 수명 저하 원인을 분석하고 산업 현장에 적용 가능한 해결방안을 제시했다는 점에서도 연구와 인력양성 성과를 함께 보여줬다.

김영진 배터리융합공학과 교수는 “이번 연구는 산업계에서 경험적으로 사용해 온 카본 프라이머 집전체의 작동 원리를 과학적으로 규명한 것”이라며 “제안된 접착 강화 원리는 부피 변화가 큰 다른 폴리음이온계 양극재에도 적용할 수 있어 장수명 나트륨이온전지 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

최성훈 배터리융합공학과 교수는 “새로운 소재를 개발하지 않고도 집전체와 전극 사이 접합부를 다루는 것만으로 전지 수명을 크게 늘릴 수 있음을 보인 것이 이번 연구의 특징”이라며 “기존 전극 제조 공정에 그대로 적용할 수 있어 산업 현장에서의 활용도가 높을 것으로 본다”고 말했다.

한편, 이번 연구가 게재된 「Small」은 영향력지수(Impact Factor) 11.8, JCR 기준 관련 분야 상위 8.1%에 해당하는 국제학술지이며, 이번 연구는 이차전지소재·셀제조산업 전문인력양성사업(한국산업기술진흥원, KIAT)과 교육부 및 강원특별자치도의 재원으로 강원앵커센터 지역성장 인재양성체계의 지원을 받아 수행됐다.