이번 연구를 수행한 한국재료연구원, 한국전기연구원 공동 연구진. 황인성(왼쪽부터) 한국전기연구원 박사, 윤지희 한국재료연구원 박사, 김대령 한국재료연구원 연구원, 이창호 한국전기연구원 연구원.[한국재료연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 전기차 주행거리는 늘리고 배터리 충전시간을 획기적으로 낮출 수 있는 건식 음극 제조 기술이 개발됐다.

한국재료연구원(KIMS) 융·복합재료연구본부 윤지희 박사 연구팀이 한국전기연구원(KERI) 황인성 박사 연구팀과 공동으로 건식전극 공정 핵심소재인 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 없이도 고성능 배터리 구현이 가능한 ‘형상 제어 흑연 과립 기반 건식 전극 제조 기술’을 국내 최초로 개발했다.

최근 전기차는 1회 충전 시 주행거리 제약으로 보급 확대에 한계를 보이면서 배터리 제조 과정에서 유기용매 사용과 건조 공정을 최소화하는 ‘건식전극(Dry Electrode)’ 기술이 차세대 공정으로 주목받고 있다.

건식전극은 제조 비용과 탄소배출을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 현재 대부분의 기술이 PTFE라는 특정 소재에 의존하고 있어 이를 대체할 수 있는 차세대 기술 개발이 중요한 과제로 꼽힌다.

PTFE는 건식전극 제조 과정에서 전극을 구성하는 여러 소재를 서로 결합하는 핵심 역할(바인더) 소재다. 하지만 이 소재는 비싼 가격, 음극 환경에서 성능 저하를 유발, 환경 규제 이슈가 있는 불소계 소재, 낮은 접착력으로 별도의 접착식 습식 코팅이 필요하다는 한계를 지니고 있다.

공동 연구팀은 현재 상용 배터리의 습식전극 제조에 널리 사용되는 CMC-SBR 바인더(접착제)를 건식전극 공정에 적용하면서 흑연 입자 구조를 새롭게 설계해 PTFE 없이도 고성능 건식 음극을 새롭게 구현했다.

연구팀은 흑연, 도전재, 바인더를 혼합한 슬러리를 스프레이 드라이 공정으로 과립화해 기존의 납작한 판상 모양의 흑연을 공 모양의 구형 과립 구조로 재구성했다. 즉, 종이처럼 납작한 흑연 입자를 둥글게 뭉쳐 배터리 내부에서 리튬이온이 좀 더 원활하게 이동할 수 있도록 만든 것이다. 이를 통해 리튬이온이 지나가는 길을 보다 고르게 확보하고, 기존 건식 음극에서 전극이 두꺼울수록 나타나던 충·방전 성능 저하 문제를 개선할 수 있었다.

연구팀이 개발한 형상제어 흑연기반 건식 전극을 들어 보이고 있다.[한국재료연구원 제공]

성능 실험 결과, 개발된 건식 음극은 기존 슬러리 기반의 음극 대비 우수한 급속충전 성능과 장기 사이클 특성을 나타냈다. 또한 고에너지밀도 조건에서도 리튬이온 확산 특성이 크게 향상돼 두꺼운 전극 기반의 고용량 배터리 구현 가능성을 확인했다.

이 기술은 전기차 주행거리 향상과 급속충전 기술 구현에 기여할 수 있어 차세대 배터리 산업의 핵심 기술로 활용될 전망이다. 또한 산업계에서 이미 사용 중인 CMC-SBR 바인더 시스템을 그대로 활용할 수 있어 대규모 생산 공정 적용에 유리하며, 용매 및 건조 공정을 최소화해 제조 비용 절감과 탄소배출 감소 효과도 기대할 수 있다.

윤지희 한국재료연구원 박사는 “이번 기술은 기존 PTFE 기반 건식전극 공정의 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법”이라며 “고에너지밀도와 급속충전 특성을 동시에 요구하는 차세대 전기차 배터리 분야에 활용이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’에 게재됐다.