실리콘 양극은 배터리 산업에서 큰 주목을 받고 있습니다. 기존 양극과 비교했을 때,리튬 이온 배터리흑연 양극을 사용하면 3~5배 더 큰 용량을 제공할 수 있습니다. 용량이 커지면 한 번 충전으로 배터리 사용 시간이 길어져 전기 자동차의 주행 거리를 크게 늘릴 수 있습니다. 실리콘은 풍부하고 저렴하지만, 실리콘 양극의 충방전 횟수에는 한계가 있습니다. 충방전 과정에서 실리콘 양극의 부피가 크게 팽창하고 용량이 감소하여 전극 입자의 파손이나 전극막의 박리로 이어질 수 있습니다.

최장욱 교수와 알리 코스쿤 교수가 이끄는 KAIST 연구팀은 7월 20일 실리콘 양극을 사용하는 대용량 리튬 이온 배터리용 분자 풀리 접착제를 개발했다고 발표했다.

KAIST 연구팀은 분자 풀리(폴리로탁산)를 배터리 전극 바인더에 통합했는데, 여기에는 전극을 금속 기판에 부착하기 위해 배터리 전극에 고분자를 첨가하는 것도 포함됩니다. 폴리로탁산의 고리는 고분자 골격에 나사처럼 끼워져 골격을 따라 자유롭게 움직일 수 있습니다.

폴리로탄의 고리 구조는 실리콘 입자의 부피 변화에 따라 자유롭게 움직일 수 있습니다. 이러한 고리의 미끄러짐 현상은 실리콘 입자의 형태를 효과적으로 유지시켜 지속적인 부피 변화 과정에서도 입자가 파손되지 않도록 합니다. 특히, 폴리로탄 접착제의 높은 탄성 덕분에 부서진 실리콘 입자조차도 서로 응집된 상태를 유지할 수 있다는 점이 주목할 만합니다. 이러한 새로운 접착제의 기능은 기존 접착제(일반적으로 단순 선형 고분자)와는 확연히 다릅니다. 기존 접착제는 탄성이 제한적이어서 입자 형태를 단단히 유지할 수 없으며, 부서진 입자를 분산시켜 실리콘 전극의 용량을 감소시키거나 완전히 상실하게 만들 수 있습니다.

저자는 이것이 기초 연구의 중요성을 보여주는 훌륭한 사례라고 생각합니다. 폴리로탁산은 지난해 "기계적 결합"이라는 개념으로 노벨상을 수상했습니다. "기계적 결합"은 공유 결합, 이온 결합, 배위 결합, 금속 결합과 같은 기존의 화학 결합에 새롭게 추가될 수 있는 개념입니다. 장기적인 기초 연구는 배터리 기술의 오랜 난제들을 예상치 못한 속도로 해결해 나가고 있습니다. 저자들은 또한 현재 대형 배터리 제조업체와 협력하여 분자 풀리를 실제 배터리 제품에 통합하는 연구를 진행하고 있다고 언급했습니다.

2006년 노벨 화학상 수상자인 노스웨스턴 대학교의 프레이저 스토다트 경은 다음과 같이 덧붙였습니다. "기계적 결합이 에너지 저장 환경에서 처음으로 복원되었습니다. KAIST 연구팀은 슬립링 폴리로탁산과 기능화된 알파-사이클로덱스트린 나선형 폴리에틸렌 글리콜에 기계적 결합제를 능숙하게 사용하여, 풀리 형태의 응집체와 기계적 결합제를 결합한 화합물을 통해 리튬 이온 배터리의 성능을 획기적으로 향상시켰습니다. 이러한 화합물은 단 하나의 화학 결합만을 가진 기존 소재를 대체하며, 소재 및 장비의 특성에 상당한 영향을 미칠 것입니다."