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응용화학과 김주현 교수팀, 탄소나노튜브 섬유 기반의 초경량·초전도 집전체 개발

  • 2024-01-16 14:32
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응용화학과 김주현 교수는 한국재료연구원 김태훈 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 탄소나노튜브 섬유를 활용하여 초경량·초전도 집전체를 성공적으로 개발하였다.

친환경 정책 확대 및 기후 변화 문제가 대두되면서 리튬 이차 전지의 어플리케이션 영역은 증가하고 있으며 특히, 전기차에 사용되는 중대형전지의 수요가 증가함에 따라 에너지밀도의 중요성이 확대되고 있다. 집전체는 전기화학 반응에 참여하지 않는 배터리 구성 요소 중 하나로, 기존의 금속 집전체는 배터리 총 중량의 15~ 50 wt.%를 차지하기 때문에 에너지 밀도 향상을 위해 집전체의 밀도를 줄이거나 구조에 변화를 주는 연구가 필요하다.

탄소나노튜브 섬유 기반 필름은 금속 대비 매우 낮은 밀도를 갖고 있어 배터리 경량화에 유리하며 무게 당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 한방향으로 배열된 탄소나노튜브 섬유의 특성 상 낮은 전기 저항을 가지게 된다. 탄소나노튜브 섬유 기반 필름의 다공성 구조로 슬러리 코팅 시 바인더를 포함한 작은 크기의 입자들이 스며들어 전극과의 결착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 다공성 구조에 의해 리튬 이온이 투과할 수 있다는 원리를 기반으로 전극을 적층하여 후막 전극을 제작하고 단위 면적 당 용량 증가에 성공하였다.

지도교수인 김주현 교수는 “탄소나노튜브 섬유로 제작한 집전체는 기계적 강도가 우수하며, 금속에 비해 밀도 또한 매우 낮아 드론과 같은 소형 전자기기에 적용될 수 있다. 또한 초고속 충전을 가능케 하여, 이차전지 집전체 분야에 새로운 먹거리를 제공할 기술이다. 열심히 연구한 조세민 학생이 매우 자랑스럽다.” 라고 밝혔다.

해당 연구는 경북대 응용화학과 조세민 석사과정 연구원이 주도하여 진행되었으며, 김주현 교수와 김태훈 박사는 교신저자로 참여했다. 조세민 석사과정 연구원은 2024년 2월부터 삼성 SDI에서 실용적인 이차전지 셀 소재개발을 위한 새로운 여정을 시작할 계획이다.

해당 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 재료분야 국제 저명 학술지인 ‘카본(Carbon)’지에 24년 2월 10일 온라인 판에 게재된다.

<사진 왼쪽부터 경북대 응용화학과 조세민 석사과정생, 김주현 교수, 한국재료연구원 김태훈 박사>