주행거리는 늘고, 원가는 낮추고…후막 전극 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 전기차 주행거리는 늘리고 배터리 제조 비용은 낮출 수 있는 건식 후막 전극 제조 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 곽원진 교수팀은 가천대 최정현 교수팀, 중앙대 문장혁 교수팀과 함께 건식 제조 후막 전극 배터리의 초기 용량 손실과 전극 제조 비용을 절감할 수 있는 기술을 선보였다.

후막 전극은 전극의 활물질층 두께를 키워 배터리 용량을 늘린 차세대 전극이다. 일반 배터리 전극과 달리 독성 용매를 쓰지 않는 건식 공정으로 제조돼 친환경적이라는 장점도 있다.

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

연구팀은 배터리 음극의 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, 개발된 건식 후막 전극을 적용한 배터리는 초기 용량 손실 값이 기존 전극을 적용한 배터리보다 약 75% 줄어들었다. 전기차 주행거리를 기존보다 20%가량 늘릴 수 있는 효과다.

전극 제조 비용 자체도 줄일 수 있다. 보통 전극의 활물질층을 건식 제조하더라도 프라이머층을 코팅하기 위해서는 여전히 별도의 습식 공정과 건조 과정이 필요해 공정이 복잡했다.

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.

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

이번 연구((논문명: Integrated one-step dry process enabling prelithiated thick electrodes without primer coating for high energy density and initial coulombic efficiency)는 국제학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 1월 21일 온라인으로 실렸다.