[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 양극재에 소량의 기능성 첨가제를 넣는 방식으로 두꺼운 건식 전극 내부의 리튬이온 이동 저항을 대폭 낮춰 배터리 출력과 에너지밀도를 동시에 끌어올리는 기술을 개발했다.
한국화학연구원은 문산·석정돈 박사 연구팀이 서울대, 연세대, 서모피셔사이언티픽코리아와 흑연질화탄소(g-C3N4)를 양극 첨가제로 적용해 전해액 젖음성을 향상시키고 이온 이동 저항을 크게 줄인 건식 후막 양극 기술을 확보했다고 21일 밝혔다.
이 성과는 국제학술지 ‘Exploration’ 8월호 표지 논문으로 게재됐다.
배터리 전극을 두껍게 만들면 집전체와 분리막 등 비활성 부품의 사용량을 줄이고 전기 저장 물질인 활물질 비율을 늘려 에너지밀도를 높일 수 있다.
그러나 전극이 두꺼워질수록 전극 안쪽 깊은 곳까지 리튬이온이 이동하는 속도가 느려져 전력을 급격히 방전할 때 전극 하부에 이온이 부족해지는 ‘리튬 교통체증’ 현상이 발생한다.
기존 습식 공정은 슬러리를 말리는 과정에서 바인더가 상부로 쏠리는 불균일 문제가 있었으며 용매를 사용하지 않는 건식 공정 역시 두꺼운 전극 특유의 이온 수송 저항을 넘어서지 못했다.
이에 연구팀은 다공성 소재인 g-C3N4를 0.5% 첨가해 전극 속 ‘리튬이온 길잡이’로 활용했다.
g-C3N4 표면의 질소 성분이 지나가는 리튬이온과 일시적인 결합을 형성해, 전해액에 둘러싸인 리튬이온이 용매를 벗고 양극재로 들어가는 탈용매화 과정을 촉진하는 원리다.
이로 인해 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지가 기존 49.8kJ/mol에서 22.1kJ/mol로 56% 감소했다.
실험 결과 약 68㎛ 두께의 건식 전극에 첨가제 0.5%를 적용했을 때 3C 고속 방전 기준 용량이 기존 58.8mAh/g에서 156.2mAh/g으로 165.9% 급증했고 출력밀도는 최대 2.85배 높아졌다.
파우치형 완전전지 평가에서도 600회 충·방전 후 용량 유지율이 72.9%에서 81.3%로 개선됐다.
연구팀은 양극재 로딩을 약 42.2mg/cm², 두께 약 113μm까지 늘린 이중층 초후막 구조에서도 1C 방전 용량을 62.5% 향상시켜 대면적 고용량 전극으로의 확장 가능성을 확인했다.
다만 첨가제를 과도하게 넣을 경우 g-C3N4의 낮은 전기전도성으로 인해 전기저항이 커지고, 압착 후 전극이 부푸는 ‘스프링백’ 현상으로 이온 통로가 막힐 수 있어 첨가량과 기공 구조의 정밀 설계가 필수적이다.
건식 공정 특성상 용매 건조 및 회수 설비가 필요 없어 공장 부지 효율화와 제조 에너지 절감이 가능하지만 연구팀은 실제 대량생산 수율과 제조단가 절감률에 대한 정량적 검증을 추가 과제로 제시했다.
이번 기술은 전기차, 고에너지밀도 에너지저장장치(ESS), 로봇 등 고출력·고용량 배터리가 필요한 산업군 전반에 활용될 전망이다.
연구진은 향후 롤투롤 연속 공정 및 대면적 혼합·분산 최적화를 진행할 예정이며 산업체와의 협업이 순조롭게 이뤄질 경우 3~5년 내 파일럿 공정 및 양산 적용 검증이 가능할 것으로 보고 있다.
