기계연, 배터리 가격은 ↓, 에너지 밀도·용량은 ↑

롤투롤 호환 플래시 공정으로 이차전지 열화 억제 성공

한국기계연구원은 이차전지장비연구실 우규희, 권신 책임연구원 연구팀이 초고속, 대면적 플래시 공정을 활용, 후막 전극의 열화를 억제하는 전극 활성화 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

연구진은 파일럿 스케일의 롤투롤 테스트 베드를 통해 롤투롤 공정과의 호환성도 성공적으로 입증했다.

이차전지장비연구실 우규희 책임연구원은 "후막 전극의 성능 열화를 획기적으로 억제하는 기술"이라며 "배터리 가격은 낮추고 에너지 밀도와 용량은 높이면서도 크기와 무게를 줄일 수 있는 새로운 가능성"이라고 의미를 부여했다.

한국기계연구원 이차전지장비연구실 우규희 책임연구원(오른쪽)이 롤투롤 호환 플래시 공정 장비에 대해 설명 중이다. 사진=기계연

후막 전극은 고에너지 밀도 구현이 가능하다. 배터리 팩 층수를 줄여 구조를 단순화함으로써 제조 공정 효율화와 원가를 절감할 수 있다.

그러나 후막 전극은 두꺼운 전극 두께로 인해 리튬 이온과 전자 이동 저항이 증가한다. 이로인해 전해질 침투가 어려워져 율속특성(배터리 충방전 속도 성능지표)과 수명과 같은 전기화학적 성능이 크게 저하되는 문제가 있다.

연구진은 이같은 문제 해결을 위해 후막 전극에 1밀리초 이내의 순간적인 플래시를 조사했다.

이 과정에서 발생하는 광열 반응은 재료의 탄화, 활물질(흑연)의 층간 간격 확장, 기공률 증대, 전해질과의 계면적 확대를 일으킨다.

우규희 책임연구원은 "이러한 화학적, 구조적 변화가 리튬 이온과 전자의 이동성을 향상시키고 전해질 침투성을 개선했다"며 "결과적으로 후막 전극의 성능 열화를 억제한다"고 설명했다.

우 책임연구원은 "표면 광열 반응을 이용하기 때문에 집전체를 포함한 후막 전극 전체가 고온에 노출되는 것을 방지한다"며 "전극 내부 바인더 분해를 최소화해 기계적 내구성을 유지하고, 집전체 산화와 같은 열적 손상도 막을 수 있다"고 부연 설명했다.

한국기계연구원이 롤투롤 호환 플래시공정으로 이차전지 성능을 올리는데 성공했다. 그래픽은 플래시 활성화 기술 효과를 나타낸 그림. 우측 맨 아래 그림을 보면 충,방전 횟수에 따라 배터리 용량 저하량이 상대적으로 줄어드는 것을 볼 수 있다. (그래픽=기계연)

연구진은 이 기술이 "이차전지 제조 산업의 표준인 롤투롤 공정과의 호환성이 뛰어나다"며 "니켈-코발트-망간(NCM) 양극 등을 비롯한 여러 전극에 확대 적용도 가능할 것"으로 예상했다.

연구진은 현재 플래시 공정을 전극 건조 공정에 적용하고, 응용성을 평가 중이다.

최근에는 이차전지 장비 기업 N사와 전극폭이 광폭인 양산 수준의 설비를 개발하고 공정 평가도 진행 중이다.

우규희 책임연구원은 “플래시를 이용한 전극 활성화 기술은 롤투롤 공정과 호환이 가능한 후처리 기술이기 때문에 기존의 공정과 제조 설비에 접목이 상대적으로 용이하다”고 말했다.

우 책임연구원은 “국내 이차전지 제조사 진입을 목표로 기술 완성도를 높이고 시험 평가와 검증을 지속적으로 진행해 나갈 예정”이라고 밝혔다.

한편 연구결과는 재료·화학 분야 국제학술지 '스몰 매서즈(Small methods) 2월호 표지논문으로 선정됐다.