최장욱 교수·코스쿤 알리 교수 연구팀(한국과학기술원)은 작년 노벨화학상 연구내용인 분자 도르래 구조를 실리콘 전극에 최초로 적용하여 이차전지수명을 획기적으로 개선했다고 미래창조과학부는 밝혔다.
*분자 도르래 구조: 고분자 사슬에 고리가 들어간 분자구조로 고리의 움직임이 자유로움
    
최장욱 교수·코스쿤 알리 교수 연구팀의 연구내용은 세계적 학술지 사이언스(Science) 7월 21일자에 게재되었다.

논문명: Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries
저자정보 : 최장욱 교수(교신저자, 카이스트), 코스쿤 알리 교수(공동 교신저자, 카이스트), 최성훈(공동 1저자, 카이스트), 권태우(공동 1저자, 카이스트)
 
실리콘 음극은 상용화된 흑연 음극보다 5배 이상 리튬이온을 저장할 수 있다. 하지만 실리콘은 충전 과정에서 부피가 크게 늘어나 입자가 부서지거나 전극 전체가 벗겨지기도 한다. 때문에 실리콘 전극은 충전, 방전을 수 십 회 이상 반복하기 어려워 상용화 되지 못하고 있다.
*실리콘 음극: 리튬이온과 합금화 반응을 통해 리튬이온을 저장하는 전극 소재
    
연구팀은 2016년 노벨화학상을 수상한 분자 도르래 구조를 최초로 도입하여 고용량 이차전지 고분자 바인더*를 개발하였다. 연구결과, 탄성이 높은 분자도르래가 실리콘 전극을 안정적으로 잡아줘서 부피 팽창이 500회 이상 반복해도 실리콘이 부서지거나 전극에서 떨어지지 않았으며 전극 용량도 상용 수준인 3밀리암페어아워/제곱센티미터(mAh/cm2)를 유지하였다. 이는 현재 IT 기기에 쓰이는 리튬이온전지의 수준을 상회하는 것이라고 연구팀은 설명했다.
*고분자 바인더: 고분자 소재로 이차전지 전극에 포함되어 실리콘 입자 간 또는 집전체 기판과 전극 간에 접착할 수 있도록 함.
 
최장욱 교수는 “이 연구는 지난 해 노벨화학상을 수상한 분자 구조가 고용량 이차전지 소재 개발에 최초로 적용된 사례이다. 미래 전기자동차용 이차전지의 핵심 전극 기술로 적용될 것으로 기대된다. 기초 연구를 바탕으로 응용 연구를 진행할 때 기존의 기술을 뛰어 넘는 획기적인 결과가 나올 수 있음을 보여주는 예이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
 
이 연구는 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었다.   

▲ 분자도르래 바인더와 기존 바인더의 작동 원리     © 특허뉴스

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