"전기차 주행거리는 20% 늘고, 배터리 제조단가는 낮추고"

UNIST-가천대-중앙대, 리튬금속박막으로 후막전극 초기 용량 손실 해결

울산과학기술원(UNIST)은 곽원진 에너지화학공학과 교수팀이 최정현 가천대 교수팀, 문장혁 중앙대 교수팀과 함께 건식 제조 후막 전극 배터리 초기 용량 손실과 전극 제조 비용을 절감할 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

후막 전극은 전극 활물질층 두께를 키워 배터리 용량을 늘릴 차세대 전극으로 주목받는다. 일반 배터리 전극과 달리 독성 용매를 쓰지 않는 건식 공정으로 제조돼 친환경적이라는 장점도 있다.

건식 후막 전극 맞춤형 초기 용량 감소 보정(선리튬화) 기술이 개발됐다. 하단은 실험결과 안정성을 유지한 그래프.

문제는 초기 용량 손실이 크다는 점이다. 모든 리튬이온배터리는 사용 초기 충·방전 과정에서 리튬 용량 손실이 발생하지만, 건식 제조 후막 전극은 두꺼운 활물질과 마른 활물질 입자를 뭉치기 위한 바인더 탓에 초기 용량 손실이 더 크다.

연구팀은 배터리 음극 활물질층과 동박(구리 집전체층) 사이에 프라이머 대신 리튬 금속 박막을 넣어 초기 용량 손실을 줄인 전극을 개발했다. 프라이머는 원래 활물질층을 동박에 부착시켜 주는 물질이다. 

프라이머 대신 들어간 리튬 금속은 프라이머 역할과 더불어 손실될 리튬을 미리 보충해주는 역할을 할 수 있다. 박막 속 리튬은 전위차라는 힘에 의해 활물질층 속으로 빨려 들어가게 된다.

실험 결과, 건식 후막 전극을 적용한 배터리는 초기 리튬용량 손실 값이 기존 전극을 적용한 배터리보다 약 75% 줄어들었다. 전기차 주행거리를 기존보다 20%가량 늘릴 수 있는 양이다.

전극 제조 비용 자체도 줄일 수 있다. 보통 전극의 활물질층을 건식 제조하더라도 프라이머층을 코팅하기 위해서는 여전히 별도의 습식 공정과 건조 과정이 필요해 공정이 복잡했는데, 프라이머 코팅 자체를 생략했기 때문이다.

제1저자인 이현욱 연구원은 “전극 접착과 리튬 용량 보충 과정인 선리튬화를 단일 공정으로 처리할 수 있고 현행 배터리 제조 표준인 롤투롤 공정에 바로 연계할 수 있는 기술”이라고 설명했다.

롤투롤(Roll-to-Roll)은 두루마리 형태의 동박을 풀어내며 그 위에 활물질층과 같은 전극 재료를 입히고 다시 감아내는 대량 생산 방식이다. 신문 윤전기가 돌아가는 것과 비슷하다.

UNIST 연구진. 아래 오른쪽이 곽원진 교수(교신저자), 왼쪽이 이현욱 연구원(제1저자)이다.

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

연구는 국제학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 온라인(1월 21일)으로 공개됐다. 조만간 학술지 형태로 출판된다.