에너지연, 이차전지 전극, ‘실’로 엮고 ‘밧줄’로 묶어 내구성·성능 모두 잡았다

- ‘이중 섬유 구조’ 이차전지용 건식 전극 제조 기술 개발

- 유독성 유기용매 없는 건식 공정 적용, 에너지밀도 약 40% 향상

연구진이 개발한 전극을 활용해 파우치형 전지를 제조하고 있다. (자료제공: 에너지연)

개발한 기술로 제조된 파우치형 전지. 사진 위부터 리튬금속 음극적용 전지, 흑연음극 적용 전지. (자료제공: 에너지연)

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연)은 송규진 박사, 케임브리지대 이권형 박사, 울산대학교 김태희 교수 공동 연구진이 기존 이차전지 전극 제조 공정의 한계를 극복한 새로운 건식 이차전지 전극 제조 기술을 개발하는 데 성공했다고 12월 3일 밝혔다..

연구진이 개발한 기술은 전극 내부에 가느다란 ‘실’과 굵은 ‘밧줄’ 형태의 섬유 구조를 동시에 형성하는 이중 섬유(Dual-fibrous) 구조의 건식 제조 공정으로, 기존 건식 공정의 낮은 혼합 강도와 성능 저하 문제를 한 번에 해결할 수 있는 기술이다.

이번 연구를 통해 개발한 다단 공정의 모식도. (자료제공: 에너지연)

이차전지의 전극 제조 방식은 용매 사용 여부에 따라 크게 습식 공정과 건식 공정으로 나뉜다. 습식 공정은 용매에 녹인 바인더(바인더 : 이차전지 전극을 만들 때 사용되는 활물질(전기 저장하는 재료), 도전재(전기를 흐르게 하는 재료) 등의 재료가 전극 형태로 안정적으로 유지되도록 붙잡아 주는 고분자(polymer) 소재)를 접착제로 사용해 전극 재료가 균일하게 섞인다는 장점이 있다. 특히 공정 신뢰도가 높고 성능 확보에도 유리해 전극 제조 시 주로 활용되고 있다.

그러나 유독성 유기용매를 사용해 환경 부담이 크고, 건조·회수 등 공정에 들이는 시간이 길어 생산 비용이 높다는 한계가 있다. 이에 최근에는 용매를 사용하지 않는 건식 공정 기술 개발에 관심이 집중되고 있다.

건식 공정은 용매를 사용하지 않아 공정 속도가 빠르고, 환경오염과 에너지 사용을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 바인더를 녹일 용매가 없어, 섬유처럼 늘어나 재료를 물리적으로 붙잡는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene : 높은 내열성과 내화학성을 가지며, 일상에서는 프라이팬 코팅에 쓰이는 테프론(Teflon, 미국 Dupont 社의 상품명)으로 잘 알려진 소재) 처럼 제한적인 소재의 바인더만 사용할 수 있다.

이에 따라 기존 건식 공정에서는 전극 재료를 균일하게 혼합하기 어렵고, 혼합 강도가 낮아 완성된 배터리의 성능과 내구성이 떨어지는 문제가 꾸준히 제기되어 왔다.

연구진은 건식 공정의 구조적 한계를 극복하기 위해 기존 PTFE 바인더의 소재를 바꾸는 대신, 동일 소재의 물리적 구조를 제어해 ‘이중 섬유’ 구조의 PTFE 바인더를 구현했다.

연구진은 바인더를 투입하는 방식을 한 번에서 두 번으로 나눈 독창적인 다단 공정을 설계했다. 먼저 소량의 바인더를 투입해 1차 혼합을 수행함으로써 활물질과 도전재를 촘촘하게 연결하는 미세한 ‘실’ 형태의 섬유망을 형성했다. 이후 나머지 바인더를 추가 투입하는 2차 혼합을 진행해 기존의 섬유망이 유지된 상태로 굵고 튼튼한 ‘밧줄’ 형태의 섬유 구조가 추가 형성되도록 했다.

이렇게 만들어진 가는 ‘실’ 섬유망은 활물질과 도전재 등 구성 물질들을 균일하게 분산시켜 반응을 균일하게 하고 배터리 성능을 향상시키는 역할을 한다. 또 굵은 ‘밧줄’ 섬유는 전극 전체를 단단하게 묶어 전극의 강도와 기계적 안정성을 크게 높이고 양산 공정에 필수인 내구성을 강화한다.

또 전기화학적 반응 저항 지도를 활용한 분석 결과, 전극의 모든 영역에서 반응 속도와 저항 특성이 빠르고 균일한 반응성을 보이는 것으로 나타났다. 이는 배터리 작동 시 에너지 손실을 최소화하고 특정 부분의 성능 저하를 방지해 전지 전체 수명을 늘리는 핵심 요인이다.

성능 평가 결과, 연구진이 개발한 건식 전극은 제곱센티미터당 10.1 밀리암페어시(mAh/cm²)의 높은 면적당 용량을 기록했다. 이를 적용한 파우치 형태의 리튬 음극 배터리셀은 킬로그램당 349와트시(Wh/kg)의 에너지밀도를 달성해 상용 전극(250와트시 내외)보다 약 40% 향상된 수치를 보였다. 또 흑연 음극을 적용한 파우치셀은 킬로그램당 291와트시의 에너지밀도를 구현해 동일 조건의 습식 공정 대비 약 20% 높은 수치를 나타냈다.

연구를 주도한 송규진 박사는 “이번 연구는 건식 전극의 핵심 난제였던 전기화학적 균일성과 기계적 내구성을 동시에 해결할 수 있는 독자적인 공정 기술을 확립했다는 데 큰 의미가 있다”며 “이차전지 산업의 가격 경쟁력 제고는 물론, 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 전기자동차, 에너지저장장치(ESS) 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘글로벌 TOP 전략연구단 사업’과 ‘창의형 융합연구사업’의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 에너지·환경 분야의 세계적 권위지인 ‘에너지 & 엔바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 9월호에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]