신개념 이차전지 설계로 에너지밀도 20% 높였다

한국전자통신연구원

한국전자통신연구원(ETRI) 연구진이 신개념 이차전지 설계가 적용된 셀의 성능을 검증하고 있다. ETRI 제공

국내 연구진이 이차전지의 에너지밀도를 약 20% 향상시킬 수 있는 셀 설계 기술을 개발했다. 이차전지의 무게를 가볍게 만들어 고에너지밀도의 이차전지 구현에 기여할 것으로 기대된다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 김주영 스마트소재연구실 선임연구원 연구팀이 집전체를 제거해 무게를 줄이면서도 무게 대비 성능인 에너지밀도를 안정적으로 높이는 새로운 이차전지 셀 설계 방안을 제시했다고 12일 밝혔다. 

집전체는 이차전지가 충·방전될 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다. 집전체의 높은 밀도는 전지의 무게를 증가시키는 원인이 된다.

연구진은 집전체 없이 분리막 위에 전극을 직접 도포하는 혁신적인 전극 설계 방안을 제시했다. 친환경적이고 가격경쟁력이 우수한 수계 공정(물을 사용한 공정)을 적용해 구현 가능성을 한층 더 높였다.

물에 대한 젖음성이 낮은 분리막 위에 전극을 균일하게 도포하기 위해 수계 공정에서 물에 잘 녹는 특징을 지닌 폴리비닐알코올 고분자 바인더를 활용했다. 이 고분자가 계면 안정성을 높일 수 있음을 이론적으로 검증했다.

새롭게 제시된 전극 구조는 기존과 달리 전해질이 원활하게 통과할 수 있다. 신규 전극을 다층으로 쌓아올린 새로운 형태의 전지 설계가 가능하다. 연구진은 이 구조를 사용하면 기존 이차전지 대비 에너지밀도가 약 20% 개선될 수 있음을 확인했다.

새로 개발된 전극 설계는 분리막의 안전성을 개선하고 전극의 재활용 가능성도 높였다. 전극 내 전기화학 반응 분석을 용이하게 하는 등의 장점도 확인됐다.

연구를 이끈 김주영 ETRI 선임연구원은 “이차전지의 에너지밀도 개선에 활용될 수 있는 일종의 전지 플랫폼을 개발하고자 노력한 결과물”이라며 “특히 이번 연구는 신진연구사업을 통해 이뤄져 더욱 의미가 있다”고 밝혔다. 

연구진은 후속 연구를 통해 에너지밀도가 더욱 개선된 이차전지를 구현할 계획이다. 고에너지밀도와 고출력이 동시에 가능한 전극 설계 등 연구를 지속 수행할 예정이다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머트리얼’에 지난달 22일 온라인 게재됐다. 

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/aenm.202403655

[박정연 기자 hesse@donga.com]