리튬금속 박막 넣어 전기차 주행거리 20%↑·배터리 제조 비용↓

울산과기원, 건식 후막 전극 제조기술 개발
배터리 초기용량 손실·전극제조 비용 절감

UNIST가 개발한 건식 후막 전극 제조 기술 개념도. UNIST 제공.

전기차 주행거리는 늘리고, 배터리 제조 비용은 낮출 수 있는 건식 전극기술이 개발됐다. 현재의 롤투롤 기반 공정에 연계할 수 있어 대량 생산을 통해 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 곽원진 에너지화학공학과 교수 연구팀이 최정현 가천대 교수팀, 문장혁 중앙대 교수팀과 공동으로 건식 제조 후막 전극 배터리의 초기 용량 손실과 전극 제조 비용을 줄일 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 친환경적이다.

하지만 두꺼운 활물질 두께와 마른 활물질 입자를 뭉치기 위한 바인더 탓에 초기 용량 손실이 크다는 구조적 한계를 지니고 있다.

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 물질로, 리튬 금속이 프라이머 역할을 대신해 손실될 리튬을 미리 보충해 주는 역할을 할 수 있다.

실험 결과, 개발된 건식 후막 전극을 적용한 배터리는 초기 용량 손실 값이 기존 전극을 적용한 배터리보다 약 75% 줄어들었다. 이는 전기차 주행거리를 기존보다 20%가량 늘릴 수 있는 수준이라고 연구팀은 설명했다.

전극 제조 비용도 줄일 수 있다. 전극의 활물질층을 건식 제조하더라도 프라이머층을 코팅하려면 별도의 습식 공정과 건조 과정이 필요해 공정이 복잡했는데, 프라이머 코팅 자체를 없애 전극 제조 비용을 낮출 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

여기에 현재 배터리 제조 표준인 롤투롤 공정에 바로 연계할 수 있어 경제성도 확보하고 있다. 롤투롤 공정은 두루마리 형태의 동박을 풀어내며 그 위에 활물질층과 같은 전극 재료를 입히고 다시 감아내는 등 대량 생산에 적합하다.

곽원진 UNSIT 교수는 “건식 공정을 이용한 전극 후막화 기술은 테슬라 등 글로벌 기업들이 앞다퉈 개발 중인 기술”이라며 “개발된 후막 전극 기술은 하이니켈 양극 등 양극 종류와 관계없이 쓸 수 있어 향후 기술 경쟁에서 우위를 점하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘에너지와 환경과학’ 지난달 21일자 온라인에 실렸다.

곽원진(왼쪽부터) UNIST 교수, 최정현 가천대 교수, 문장혁 중앙대 교수, 이현욱 UNIST 연구원(제1저자).

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr