한국재료연구원-한국전기연구원 공동연구
PTFE 없이 고성능 건식 음극 구현 성공
차세대 친환경 배터리 제조공정 상용화 기대
한국재료연구원(KIMS) 융·복합재료연구본부 윤지희 박사 연구팀이 한국전기연구원(KERI) 황인성 박사 연구팀과 공동으로 건식전극 공정의 핵심소재인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 없이도 고성능 배터리를 구현하는 '형상 제어 흑연 과립 기반 건식 전극 제조 기술'을 국내 최초로 개발했다.
이번 기술은 전기차 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축하는 것은 물론 차세대 친환경 배터리 제조공정 상용화를 앞당길 수 있는 기술로 기대된다.
최근 고에너지밀도 배터리 개발 경쟁이 치열해지면서 배터리 제조 과정에서 유기용매 사용과 건조 공정을 최소화하는 '건식전극(Dry Electrode)' 기술이 차세대 공정으로 주목받는다. 건식전극은 제조 비용과 탄소배출을 줄일 수 있는 장점이 있지만 현재 대부분 기술이 PTFE라는 특정 소재에 의존하는 상황이다.
PTFE는 건식전극 제조 과정에서 전극을 구성하는 여러 소재를 서로 결합하는 핵심 바인더 소재다. 하지만 음극 환경에서 성능 저하를 유발할 수 있고 환경 규제 이슈가 있는 불소계 소재라는 점에서 대체 기술의 개발 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.
연구팀은 현재 상용 배터리의 습식전극 제조에 널리 사용되는 CMC-SBR 바인더를 건식전극 공정에 적용하면서 흑연 입자 구조를 새롭게 설계해 PTFE 없이도 고성능 건식 음극을 새롭게 구현하는 데 성공했다.
이를 위해 흑연, 도전재, 바인더를 혼합한 슬러리를 스프레이 드라이 공정으로 과립화해 기존의 납작한 판상 모양 흑연을 공 모양 구형 과립 구조로 재구성했다. 종이처럼 납작한 흑연 입자를 둥글게 뭉쳐 배터리 내부에서 리튬이온이 좀 더 원활하게 이동할 수 있도록 만든 것이다. 이를 통해 리튬이온이 지나가는 길을 더욱 고르게 확보하고 기존 건식 음극에서 전극이 두꺼울수록 나타나던 충·방전 성능 저하 문제를 개선했다.
실험 결과 개발한 건식 음극은 기존 슬러리 기반 음극 대비 우수한 급속충전 성능과 장기 사이클 특성을 나타냈다. 고에너지밀도 조건에서도 리튬이온 확산 특성이 크게 향상돼 두꺼운 전극 기반 고용량 배터리 구현 가능성을 확인했다. 한 번 충전으로 더 오래 사용할 수 있는 배터리와 빠른 충전이 가능한 배터리 개발에 유리한 기술적 기반이 될 전망이다.
특히 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 KIMS 선임연구원은 “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 말했다.
노동균 기자 defrost@etnews.com
