"이차전지 집전체 없앴더니 성능 쑥쑥"… 20% 에너지밀도 향상

ETRI, 집전체 없이 셀 설계기술 개발
이차전지 무게 줄여 에너지밀도 높여

ETRI은 이차전지 성능을 평가하는 에너지밀도를 20% 향상시킨 신개념 이차전지 셀 설계 기술을 개발했다. ETRI 제공

ETRI가 신개념 이차전지 설계를 적용한 고분자 바인더(왼쪽부터), 분리막상 도포된 전극, 분리막 모습. ETRI 제공

국내 연구진이 이차전지 성능을 20% 높일 수 있는 새로운 셀 설계 기술을 확보했다. 무게를 줄이고 에너지밀도를 향상시킬 수 있어 차세대 이차전지에 적용할 수 있을 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 집전체를 제거한 새로운 이차전지 셀 설계 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

이차전지는 스마트폰, 전기자동차, 무인 항공기 등 일상 생활과 산업 전반에서 활용되는 12대 국가전략기술 중 하나다. 이차전지의 에너지밀도는 성능을 평가하는 중요한 지표로, 기기의 사용 시간과 설치 공간 등에 큰 영향을 받는다.

이 때문에 이차전지의 에너지밀도를 개선하기 위한 연구가 소재 단위를 중심으로 활발하게 이뤄지고 있다. 하지만, 광물 매장지역의 불균일성, 특정 원소의 희소성, 자원 수급 상황에 따른 가격 변동 등으로 안정적으로 이차전지의 에너지밀도를 개선하는 데 어려움이 있다.

연구팀은 이차전지에서 집전체를 완전히 배제하는 새로운 설계방식을 고안했다. 집전체는 이차전지가 충방전할 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다. 이차전지의 핵심 부품 중 하나이지만, 집전체의 높은 밀도는 전지 무게를 증가시키는 원인이 된다. 산업계에서는 집전체 두께를 최소화해 경량화하기 위한 연구가 시도되고 있다.

연구팀은 집전체 없이 분리막 위에 전극을 직접 도포하고, 친환경적이고 가격 경쟁력이 우수한 수계전지 공정을 적용한 새로운 전극 설계 기술을 개발했다. 물에 젖지 않는 분리막 위에 전극을 균일한 도포하기 위해 수계 공정에서 고분자 바인더로 '폴리비닐알코올'을 활용해 계면 안정성을 높였다.

특히 새로운 전극 설계 구조는 기존과 달리 전해질이 원활하게 통과할 수 있어 여러 층으로 쌓는 새로운 전극 설계가 가능하고, 이를 통해 기존 이차전지 대비 에너지밀도가 20% 개선할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

아울러, 분리막 안전성을 높이고, 전극의 재활용 가능성도 높은 것으로 나타났다.

김주영 ETRI 선임연구원은 "집전체 제거를 통해 이차전지의 무게를 줄이고, 무게 대비 성능인 에너지밀도를 안정적으로 높일 수 있었다"며 "고에너지밀도와 고출력이 동시에 가능한 전극 설계를 위한 연구를 지속해 나가겠다"고 말했다.

이 연구결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(10월 22일)' 온라인에 게재됐다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr