효율·안전성 높은 차세대 배터리, ‘방사선 공정’으로 대량생산 앞당긴다

최은영 원자력연 책임연구원팀 성과

전자빔을 이용한 컨베이어 벨트 방식 생산라인 모식도. /(주)제브 제공

국내 연구진이 방사선 기술을 이용해 안전하고 경제적인 차세대 배터리 생산 공정을 개발했다.

한국원자력연구원(원자력연)은 최은영 책임연구원팀이 전자빔을 이용해 반고체 배터리를 한 번에 대량 생산하는 ‘원팟(one-pot)’ 신기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 연구에는 박수진 포항공대 화학과 교수팀, 전자빔 이용 신소재 전문 기업인 제브도 참여했다.

전기차나 휴대전화 등에 흔히 사용되는 리튬이온 배터리는 현대인의 일상에서 필수적인 에너지 저장 장치로 자리 잡았다. 하지만 리튬이온 배터리의 액체 전해질은 인화성 물질로 화재나 폭발의 위험이 있다. 이 때문에 전 세계적으로 액체를 포함하지 않는 배터리 개발 경쟁이 치열한 상황이다.

이런 가운데 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 ‘반고체 배터리’가 주목받고 있다. 반고체 배터리란 배터리 내부에서 양극과 음극에 리튬이온을 전달하는 전해질이 겔 형태(반고체)로 돼있는 배터리다. 전해질이 액체가 아니라 반고체이기 때문에 배터리 안에서 전해질이 흐르지 않아 안전성이 높다. 다만 반고체 형태의 전해질을 만들려면 특정 화학물질을 배터리에 넣거나 열처리를 해야 하는데 그 과정에서 배터리 성능이 떨어질 수 있다.

이에 연구진은 반고체 배터리 성능을 유지하기 위해 전자빔을 이용한 생산 공정을 새로 개발했다. 전자빔은 방사선의 일종으로 물질의 구조와 성질을 변화시킬 수 있어 전자빔을 액체에 조사하면 액체가 반고체 형태로 변한다. 연구팀은 액체 전해질이 들어간 배터리를 쌓아 올려 전자빔을 최적의 선량만큼 발사해 이들을 전부 반고체 배터리로 만드는 방식의 공정을 만들었다. 이 공정으로 기존 액체 전해질 배터리와 성능은 유사하면서 안전성은 더 뛰어난 반고체 배터리를 한 번에 7개까지 생산할 수 있음을 실험을 통해 확인했다.

전자빔은 조사 시간이 수 분 이내로 짧아 컨베이어 벨트 방식으로 빠르게 대량 생산이 가능하다. 연구진은 향후 이번 기술을 고용량 배터리 생산에 확대 적용하고, 상용화를 위한 공정 최적화를 진행할 예정이다. 주한규 원자력연 원장은 “이번 성과는 방사선의 무한한 응용 분야 중 하나”라며 “앞으로 차세대 배터리 제조 산업에서 대체 불가한 방사선 강점 기술의 활용도와 위상을 높여나갈 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과가 담긴 논문은 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 지난달 게재됐다.

참고자료

Chemical Engineering Journal, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143903

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