초두께 탄소섬유 강화 배터리 전극, 높은 에너지 밀도 구현

2020년 6월호 미국화학회 Nano Letters 저널에 게재된 프로젝트에서, 델라웨어 대학교(미국 델라웨어 Newark) 복합재료센터(CCM) 연구진이 수직 정렬 탄소섬유로 강화된 초두께 배터리 전극을 개발했다. '섬유 정렬 두께' 또는 'FAT'라 명명된 새 전극 설계는 향상된 물성을 보이며 제조 확장이 용이하다고 한다.

델라웨어대 조교수이자 연구 저자인 Dr. Kun Fu는 "배터리에서 전극은 활물질(전극 소재)과 비활성 성분(금속 집전체, 폴리머 바인더, 전도 매트릭스 등)으로 구성된다"며 "배터리 비용량을 높이려면 활물질 양을 늘리고 비활성 물질을 줄여야 한다"고 설명한다.

FAT 전극 구조와 장점

델라웨어대 CCM이 설계한 FAT 전극은 전극 방향으로 정렬된 단방향(UD) 단섬유 탄소섬유를 포함하며, 활성 전극 소재(LiFePO₄, 인산철리튬)가 섬유 사이에 내장된다. 탄소섬유 사이 기공이 전극 내 저굴곡 채널을 형성해 액체 전해질 내 빠른 이온 수송을 가능하게 한다. "FAT 전극은 정렬된 탄소섬유로 관통 두께 방향 섬유 정렬 전극 구조를 구축해 높은 전극 소재 로딩, 낮은 굴곡도, 높은 전기·열전도도, 양호한 압축 특성을 갖는다"고 Fu는 말한다.

"이 경우 더 두꺼운 전극이 활물질/비활성 물질 비율을 크게 높여 더 높은 비용량을 달성할 수 있다"고 그는 덧붙인다. FAT 전극의 낮은 굴곡도는 빠른 전해질 주입과 신속한 전자/이온 수송을 가능케 해 기존 슬러리 주조 두꺼운 전극 설계 대비 높은 용량 유지율과 낮은 전하 이동 저항을 보인다.

제조 확장성 및 향후 계획

연구진에 따르면 제조법은 수성 전극 잉크와 절단·압연 탄소섬유 막 보강을 사용해 저비용으로 쉽게 확장 가능하다. 전극 제조 시 활성 전극 소재를 미리 로딩한 탄소섬유 막을 원통형으로 말아 섬유 축 방향에 수직으로 절단한다. 이 방법으로 18mm 직경, 55mm 높이 전극을 제작해 18650 원통형 배터리 셀 잠재 용도를 검증했다.

향후 정렬 탄소섬유 프레임워크를 음극 설계, 전고체 배터리, Li-S 및 Li-O₂ 배터리에 적용할 계획이며, 전기차, 전자기기, 그리드 에너지 저장용 배터리 잠재 용도를 모색 중이라고 Fu는 밝혔다.

연구 전문은 Nano Letters 디지털 출판물에서 확인 가능하다.