- 고분자 바인더 접착력 힘 분석·수계 금속 공기 배터리 등 응용...J. Mater. Chem. A 표지
UNIST 에너지화학공학과 이동욱 교수팀이 홍합의 뛰어난 수중 접착력을 모방한 해수전지용 바인더 물질을 개발해 전지 전극 성능을 크게 개선했다고 13일 밝혔다. 이번 연구는 에너지화학공학과 이현욱·곽상규 교수 연구팀과 함께했다.
해수전지의 양극은 탄소 섬유가 엮인 집전체와 섬유 표면에 발라진 촉매 입자로 이뤄져 있다. 바인더는 이 촉매와 집전체를 접착 시켜 고정하는 물질이다.
연구팀이 개발한 바인더는 홍합의 접착 단백질 성분을 모방해 수중에서도 매우 뛰어난 접착력을 지니고 있다. 기존 바인더들이 유기 용매에서와는 달리 물속에서는 접착력이 크게 떨어지는 문제를 해결한 기술이다. 집전체와 촉매가 제대로 접착되어 있지 않으면 전지에 과부하(과전압)가 걸리고 집전체가 부식되기 쉽다.
개발한 바인더를 쓴 해수전지는 기존에 자주 사용되는 플로라이드 계열 바인더를 사용했을 때 보다 과전압이 최대 60% 이상 줄었으며 전극 성능(충·방전 과전압 차이)도 4배 정도 향상됐다.
전자현미경 관찰 결과 집전체의 부식도 크게 개선됐다. 또 바인더 내부에서는 촉매 입자가 검출됐는데, 이는 바인더가 집전체 부식뿐만 아니라 촉매 탈착을 막는 보호 효과까지 있음을 보여주는 결과다.
연구팀은 개발한 바인더가 우수한 접착력을 보이는 이유를 표면힘측정기 실험과 밀도범함수 이론분석 등을 통해 밝혀냈다. 분석결과 촉매와 바인더, 집전체와 바인더가 맞닿는 계면에서 상호 작용 힘이 강할수록 촉매가 집전체에 더 단단히 고정됨을 확인했다.
공동 제1 저자인 최지은 연구원(에너지화학공학과 석박통합과정)은 “강력한 수중 접착력뿐만 아니라 탄소부식·촉매탈착 방지 특성을 갖춘 소재로 해수전지 뿐 아니라 다양한 수계(물) 금속 공기 배터리의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.
한편, 해수전지는 바닷물로 전기를 저장하고 꺼내 쓸 수 있는 친환경 에너지 저장장치다. 차세대 고밀도 에너지저장 장치인 수계 금속 공기 배터리처럼 물(바닷물)을 전해질로 쓴다는 공통점이 있다. 일반적인 배터리는 소수성(물과 섞이지 않는 기름 같은 성질)의 유기 용매를 전해질로 쓴다.
이번 연구는 한국수력원자력(KHNP)과 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘재료화학 저널 A’(Journal of materials chemistry A)에 앞표지(Outside front cover)로 선정되어 3월 7일 자로 출판됐다.
(논문명: Strong interfacial energetics between catalysts and current collectors in aqueous sodium-air batteries)
