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– UNIST·가천대·중앙대, 건식 제조 후막 전극의 초기 용량 감소 보충 기술 개발
– 용량은 늘리고 완전 건식 공정으로 제조 단가 낮춰… Energy Environ. Sci. 게재
전기차 주행거리는 늘리고 배터리 제조 비용은 낮출 수 있는 건식 후막 전극 제조 기술이 개발됐다.
UNIST 에너지화학공학과 곽원진 교수팀은 가천대 최정현 교수팀, 중앙대 문장혁 교수팀과 함께 건식 제조 후막 전극 배터리의 초기 용량 손실과 전극 제조 비용을 절감할 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.
후막 전극은 전극의 활물질층 두께를 키워 배터리 용량을 늘린 차세대 전극이다. 일반 배터리 전극과 달리 독성 용매를 쓰지 않는 건식 공정으로 제조돼 친환경적이라는 장점도 있다.
문제는 초기 용량 손실이 크다는 점이다. 모든 리튬이온배터리는 사용 초기 충·방전 과정에서 필연적인 리튬 용량 손실이 발생하지만, 건식 제조 후막 전극은 두꺼운 활물질 두께와 마른 활물질 입자를 뭉치기 위한 바인더 탓에 초기 용량 손실이 더 크다.
연구팀은 배터리 음극의 활물질층과 동박(구리 집전체층) 사이에 프라이머 대신 리튬 금속 박막을 넣어 초기 용량 손실을 줄인 전극을 개발했다. 프라이머는 원래 활물질층을 동박에 부착시켜 주는 물질이다. 프라이머 대신 들어간 리튬 금속은 프라이머 역할과 더불어 손실될 리튬을 미리 보충해주는 역할을 할 수 있다. 박막 속 리튬은 전위차라는 힘에 의해 활물질층 속으로 빨려 들어가게 된다.
실험 결과, 개발된 건식 후막 전극을 적용한 배터리는 초기 용량 손실 값이 기존 전극을 적용한 배터리보다 약 75% 줄어들었다. 전기차 주행거리를 기존보다 20%가량 늘릴 수 있는 효과다.
전극 제조 비용 자체도 줄일 수 있다. 보통 전극의 활물질층을 건식 제조하더라
도 프라이머층을 코팅하기 위해서는 여전히 별도의 습식 공정과 건조 과정이 필요해 공정이 복잡했는데, 프라이머 코팅 자체를 생략했기 때문이다.
제1저자인 이현욱 연구원은 “전극 접착과 리튬 용량 보충 과정인 선리튬화를 단일 공정으로 처리할 수 있고 현행 배터리 제조 표준인 롤투롤 공정에 바로 연계할 수 있는 기술”이라고 설명했다. 롤투롤(Roll-to-Roll)은 두루마리 형태의 동박을 풀어내며 그 위에 활물질층과 같은 전극 재료를 입히고 다시 감아내는 대량 생산 방식이다. 신문 윤전기가 돌아가는 것과 비슷하다.
곽원진 교수는 “건식 공정을 이용한 전극 후막화 기술은 테슬라 등 글로벌 기업들이 앞다퉈 개발 중인 기술”이라며 “이번 개발된 음극 기술은 하이니켈 양극 등 양극 종류와 관계없이 쓸 수 있어 기술 경쟁에서 우위를 점하는 데 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 세계적 국제학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 1월 21일 온라인 공개돼, 정식 출판을 앞두고 있다.
연구 수행은 산업통상부 소재부품개발사업의 지원을 받아 이루어졌다.
(우측하단부터 시계방향) 곽원진 교수, 이현욱 연구원(제1저자), 김동하 연구원, 지호정 연구원, 황유찬 연구원 [사진=UNIST] 용어설명
1. 전해질계면층(SEI, Solid Electrolyte Interphase)
배터리를 처음 충전할 때 전해질이 분해되며 전극 표면에 형성되는 얇은 보호막이다. 이후 전해질의 추가 분해를 막아 배터리를 안정화하지만, 형성 과정에서 리튬이 고체 성분으로 고정돼 다시 충‧방전에 참여하지 못하는 비가역 손실을 만든다.
2. 에너지밀도(Energy density)
배터리가 단위 무게 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양을 의미한다. 전극에 더 많은 활물질을 담을수록 에너지밀도가 높아지며, 전기차 주행거리와 직결되는 핵심 성능 지표다.
3. 후막 전극(Thick electrode)
전극의 합재층(활물질+바인더) 두께를 기존보다 두껍게 만들어, 하나의 전극에 더 많은 활물질을 담은 구조의 전극이다. 에너지밀도를 높일 수 있는 장점이 있지만, 초기 충전 과정에서 반응이 표면에 집중되며 초기 효율 저하 문제가 나타나기 쉽다.
4. 건식 전극(Dry electrode)
독성 용매를 사용하지 않고 활물질과 바인더를 혼합·압착해 제조하는 전극이다. 환경 부담을 줄이고 공정을 단순화할 수 있지만, 전극 접착과 초기 효율 확보가 기술적 과제로 남아 있다.
5. 바인더(Binder)
전극 내에서 활물질 입자들을 서로 결합하고, 이를 집전체에 부착시켜주는 고분자 물질이다. 전극의 기계적 안정성을 담당하지만, 초기 충전 과정에서 일부가 리튬과 반응하며 리튬 손실에 관여할 수 있다. 특히 건식 제조 후막 전극에 사용되는 바인더는 이러한 경향이 더 심해 리튬을 더 많이 손실 시킨다.
6. 선리튬화(Prelithiation)
배터리 첫 충전 과정에서 발생하는 초기 리튬 손실을 보완하기 위해, 전극에 미리 리튬을 공급하는 기술이다. 초기 효율을 높이는 데 효과적이지만, 기존 방식은 주로 습식 공정을 기반으로 해 건식 전극과의 결합에 한계가 있었다.