세라믹기술원, 표면처리 공정 혁신으로 이차전지 성능 한계 돌파

- 친환경·고효율 양극재 표면개질 원천기술 확보

한국세라믹기술원 양자반도체연구단 연구팀. 윗열 오른쪽부터 최문희 박사, 김민정 연구원, 허석하 학생연구원, 손예진 학생연구원, 아랫열 오른쪽부터 남월일 학생연구원, 서지혜 학생연구원, 박지현 학생연구원, 조형호 연구원. (자료제공: KICET)

한국세라믹기술원(KICET, 원장 윤종석)은 양자반도체연구단 최문희 박사 연구팀이 리튬 이차전지용 양극활물질 표면개질을 위한 건식 실란 코팅 기술을 개발하고, 관련 특허 출원을 완료했다고 1월 16일 밝혔다. 

  * 활물질 : 리튬이온과 반응하여 전기를 만들어 내는 핵심 소재

  * 실란커플링제 : 이종소재의 복합화를 위한 고분자 물질

이번 기술은 기존 침지 방식의 습식 공정을 대체할 수 있는 원천 기술로, 배터리 성능과 수명을 동시에 향상시키면서도 친환경성을 확보한 것이 특징이다.

기존 습식 코팅 공정은 다량의 용매 사용으로 인한 코팅 불균일, 분말 응집, 잔류 용매에 따른 부반응, 폐수 발생 등 구조적 한계를 지니고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 양극재 대비 0.1~5 wt% 수준의 극소량 실란 수용액을 활용한 건식 표면개질 공정을 개발했다. 

이 방식은 실란 성분을 양극활물질 표면에 선택적으로 부착시킨 뒤 110~130℃의 저온 열처리를 적용함으로써, 약한 초기 결합을 안정적인 화학 결합 구조로 전환하고 치밀한 보호 코팅층을 형성하는 것을 골자로 한다.

이 기술을 LCO·NCM·LFP 등 주요 상용 양극재 전반에 적용하여 성능을 검증한 결과, 배터리 구동 중 발생하는 계면 반응과 구조적 열화가 효과적으로 억제되었으며, 고속 충·방전 성능 향상, 내부 저항 감소, 수명 특성 개선이 확인됐다. 

연구팀은 “기존 액체 전해질 기반 배터리에 국한되지 않고, 계면 안정성이 핵심 과제로 꼽히는 전고체 배터리(All-Solid-State Battery) 분야에서도 활용 가능성이 높다”며 “공정 중 불순물 혼입 우려가 없고, 롤투롤(Roll-to-roll) 등 대량 생산 설비에도 즉시 적용할 수 있어 차세대 배터리 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술로 기대된다”고 말했다.

최문희 박사는 “이번 건식 표면개질 기술은 배터리 성능 향상과 친환경 공정을 동시에 달성할 수 있는 원천 기술”이라며 “국내 배터리 소재 기업과의 기술이전을 통해 실제 양산 공정 적용을 적극 추진할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 산업통상부가 주관하고 한국산업기술기획평가원에서 지원하는 ‘기판실장용 산화물계 초소형 적층 전고체 전지(MLCB) 개발사업’을 통해 달성했다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]