차세대 이차전지의 핵심, 혁신적 바인더 소재로 미래를 설계하다

에너지화학공학부 오은석 교수 에너지나노소재 연구실

  울산시는 온산국가산단을 확장해 이차전지 특화단지를 조성하는 등 대한민국 이차전지 산업의 중심으로 성장하고 있습니다. 또한, 울산대학교는 2023년 중견기업-지역 혁신 얼라이언스 지원사업 주관기관으로 선정되어 이차전지 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 이러한 연구를 총괄하고 있는 오은석 교수와 함께 울산대 이차전지 연구실을 살펴보겠습니다.

Q. 교수님과 연구실, 그리고 연구 주제에 대해 간단히 소개 부탁드립니다.

A. 저희 에너지나노소재 실험실은 리튬이차전지의 핵심 소재인 고분자 바인더소재와 재활용 양극활물질을 연구하며, 지속 가능한 배터리 기술 개발에 기여하고 있습니다. 특히, 바인더 소재 연구에 있어 학문적 탐구를 넘어 실용화 및 상업적 적용이 가능한 혁신적인 소재 개발에 집중하고 있습니다. 최적의 성능과 안정성을 갖춘 차세대 바인더를 설계하여, 차후 배터리 산업에서 실질적인 변화를 이끌어가는 것을 목표로 하고 있습니다. 

 
오은석 교수가 에너지나노소재 실험실에서 고분자 바인더소재 연구데이터를 분석하고 있다

Q. 이차전지를 중점적으로 연구하고 계신 것으로 알고 있습니다. 이차전지는 무엇이며, 왜 중요한지 설명 부탁드립니다.

A. 이차전지는 음극과 양극 사이에서 리튬 이온이 이동하며 충방전 과정을 반복하는 원리로 작동하여 반복적으로 사용될 수 있는 전지로, 그 중에서도 리 튬이온전지(Lithium-ion Battery, LIB)가 높은 에너지 밀도와 안정성을 바탕으로 다양한 산업에서 가장 널리 활용되고 있습니다. 현대 사회가 발전함에 따라 모바일 기기, 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 전력 기반 기술의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이러한 혁신적인 기술의 중심에는 이차전지가 필수적인 동력원으로 자리 잡고 있습니다. 다시 말해, 오늘날 우리는 "Battery is everywhere", 즉 배터리가 모든 곳에 존재하는 시대를 살고 있다고 해도 과언이 아닙니다.

글로브 박스를 통해 외부 환경과 차단된 상태로 이차전지 실험을 수행하고 있는 오은석 교수와 연구팀

Q. 연구하고 계신 이차전지 분야에서 대표적인 논문이나 특허가 있다면 소개해 주세요. 해당 연구 성과가 실용화된다면 어떤 분야에서 활용될 수 있을까요?

A. 대덕특구 50주넌 기념 기술사업화 박람회에서 우수기술로 선정이 되어 발표하였던 기술을 소개하고자 합니다. 이차전지용 고분자 바인더 소재는 접착을 통하여 전극 내 전기적인 네트워크를 형성시키는 소재라 할 수 있는데 문제는 고분자 소재가 전기절연성의 특성을 지니고 있는 것이라 할 수 있습니다.

  본 실험실에서는 다년의 연구를 통하여 2차원적이며 전자전도성이 매우 우수한 MXene 신규소재를 활용하여 고접착성과 고전도성을 지닌 바인더소재 합성하는데 성공하였으며 특허등록 (대한민국 특허등록 10-2552944, 10-2256440)을 통한 원천기술 확보 및 SCI 저널 출간(Journal of Power Sources 506 (2021) 230138, ACS Omega 2023,8,49302) 을 통하여 우수기술을 홍보하는데 노력을 다하였습니다.  

Q. 현재 추가로 진행 중인 연구가 있다면 소개해 주시고, 앞으로 이루고자 하는 목표는 무엇인가요?

 A. 차세대 고용량 이차전지에 관한 연구는 소재를 통한 고용량화와 전극제조 공정을 통한 고용량화로 나눌 수 있습니다. 본 실험실에서는 소재를 통한 고용량화 방안으로 실리콘 고용량 소재에 적합한 고분자 바인더 소재를 개발하고 있으며, 전극제조 공정을 통한 고용량화 방안으로 건식공정에 적합한 바인더 소재를 개발하고 있습니다. 건식 공정의 경우에는 고용량화 뿐만 아니라 배터리 제조의 친환경성, 생산 비용 절감, 공정 효율성 증가 등의 이점을 제공하며, 차세대 배터리 기술의 핵심으로 자리 잡고 있습니다. 이와 같은 차세대 고용량 이차전지에 대한 소재 개발을 통하여 국내 이차전지 산업에 기여하고자 합니다. 

Q. 연구실에는 다양한 연구원과 학생들이 함께하고 있습니다. 연구실에 소속된 학생들은 어떤 구성으로 이루어져 있으며, 이곳에서 어떤 연구 활동과 경험을 쌓고 있나요?

 A. 저희 실험실은 박사후 연구원, 연구원, 그리고 석박사과정학생들 10여명과 지역에 있는 기업들과 PBL 과제를 진행하기 위하여 10여명의 학부연구생들로 구성이 되어 있습니다. 실험실로 대학원 진학 시 등록금 전액 지원, 영어 학습지원, 월장려금 등의 지원을 통하여 학생들이 경제적인 걱정없이 대학원 생활을 할 수 있도록 지원하고 있습니다. 참여하는 모든 대학원생들은 개인별 프로젝트 리더로서 학부생들과 함께 지도교수의 지도아래 지역 산업체 애로기술 관련한 연구를 진행하고 있습니다. 

화학공학관 앞에서 오은석 교수 연구팀

Q. 마지막으로 연구실을 운영하시면서 전하고 싶은 말씀이나 강조하고 싶은 점이 있다면 부탁드립니다.

A. 우리 연구실은 차세대 고용량 이차전지의 핵심 기술을 개발하며, 소재 혁신과 공정 혁신을 동시에 추구하고 있습니다. 특히, 친환경적이고 경제적인 건식 전극 공정과 고성능 실리콘 음극 바인더 연구를 통해 국내 이차전지 산업 발전에 기여하고자 합니다. 끊임없는 도전과 협력을 바탕으로, 함께 성장하는 연구실이 되기를 바랍니다.