전기차 ‘주행거리 약점’ 넘는다…활물질 99% LFP 배터리 전극 개발

UNIST·숙명여대·GIST 공동 연구
비활성 물질 1% 수준으로 낮춰
고속 방전·고온 환경에서도 안정적 성능 확인
비불소계 바인더 적용
친환경 공정·제조 비용 절감 기대

[이데일리 김현아 기자] 가격 경쟁력을 앞세워 전기차 시장에서 빠르게 확산되고 있는 LFP(리튬인산철) 배터리의 최대 약점인 짧은 주행거리를 개선할 수 있는 전극 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 강석주 교수 연구팀이 숙명여대 주세훈 교수, 광주과학기술원(GIST) 이은지 교수 연구팀과 공동으로 활물질 함량을 99%까지 높인 LFP 배터리 양극을 개발했다고 9일 밝혔다.

왼쪽부터 강석주 교수, 노은환 연구원. 사진=UNIST(울산과학기술원)

이번 연구는 전극 내부에서 실제로 전기를 저장하는 활물질 비중을 극대화해 배터리 에너지 밀도를 높이는 것이 핵심이다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 ‘에너지저장물질(Energy Storage Materials)’에 게재됐다.

LFP 배터리는 가격이 저렴하고 화재 위험이 낮아 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 널리 사용된다. 다만 전기전도도가 낮아 동일한 배터리 무게에서 저장할 수 있는 전기량이 상대적으로 적다는 점이 한계로 지적돼 왔다.

이 문제는 전극 구조에서 비롯된다. 전기가 흐르는 경로를 만들기 위해 도전재를 넣어야 하고, 활물질을 전극에 붙이는 바인더도 필요하다. 이들 비활성 물질이 많아질수록 실제 전기를 저장하는 활물질 비중은 줄어들 수밖에 없다.

연구팀은 도전재 역할을 동시에 수행할 수 있는 기능성 바인더 구조를 설계해 이 문제를 해결했다. 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 기반으로 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 탄소나노튜브(SWCNT)를 결합해 전극 내부에 효율적인 전도 네트워크를 형성한 것이다.

이 설계를 통해 비활성 물질 비율을 1% 수준으로 낮추고 활물질 함량을 99%까지 끌어올린 전극 제작에 성공했다.

성능 평가에서도 높은 출력 특성을 보였다. 연구팀에 따르면 이 전극은 8C 고속 방전 조건에서도 132mAh/g의 용량을 기록했다. 8C는 약 7.5분 만에 배터리를 방전할 수 있는 수준의 고속 조건을 의미한다.

또 상용 흑연 음극과 결합한 풀셀에서도 125mAh/g의 용량을 유지했으며, 전기차 배터리 환경과 유사한 섭씨 60도의 고온 조건에서도 안정적인 작동을 보였다.

단위 면적당 용량 역시 3.5mAh/cm² 이상을 기록했다. 이는 제한된 공간에 활물질을 밀도 높게 채워야 하는 전기차 배터리 설계에 유리한 특성으로 평가된다.

활성물질 함량 99%인 LFP(리튬인산철) 전극의 구조와 성능. 출처=UNIST

환경성과 제조 경쟁력 측면에서도 의미가 있다는 평가다. 기존 배터리 전극에는 불소계 바인더(PVDF)가 널리 사용되는데, 이를 용해하기 위해 독성 유기용매(NMP)가 필요하다. 이 과정에서 별도의 회수 설비가 필요해 제조 비용이 증가하는 문제가 있었다.

연구팀이 개발한 전극은 비불소계 바인더를 사용해 이러한 공정을 줄일 수 있으며, 친환경 배터리 제조 공정으로 전환하는 데도 도움이 될 것으로 기대된다.

강석주 UNIST 교수는 “전극 내 활물질 비중을 크게 높여 LFP 배터리의 고질적인 용량 문제를 개선했다”며 “불소계 바인더와 독성 용매를 사용하지 않는 공정이 가능해 제조 경쟁력 측면에서도 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, UNIST 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구진은 이번 전극 설계 방식이 LFP뿐 아니라 다양한 배터리 전극 시스템에도 확장 적용될 수 있을 것으로 보고 있다.

김현아 (chaos@edaily.co.kr)