재료연·전기연, PTFE 없는 건식 전극 기술 개발

왼쪽부터 황인성 한국전기연구원 박사, 윤지희 한국재료연구원 선임연구원, 김대령 한국재료연구원 연구원, 이창호 한국전기연구원 연구원.

한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 융·복합재료연구본부 윤지희 선임연구원 연구팀이 한국전기연구원 황인성 박사 연구팀과 함께 ‘형상 제어 흑연 과립 기반 건식 전극 제조 기술’을 개발했다. 이 기술은 건식전극 공정의 핵심 소재로 쓰이는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 없이 고성능 배터리를 구현하는 방식으로, 전기차 주행거리 향상과 충전 시간 단축에 활용될 수 있다.

전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 커지면서 고에너지밀도 배터리 개발 경쟁도 이어지고 있다. 특히 배터리 제조 과정에서 유기용매 사용과 건조 공정을 줄이는 건식전극(Dry Electrode) 기술도 차세대 공정으로 꼽힌다. 다만 기존 건식전극 기술은 대부분 PTFE에 의존해 왔다.

PTFE는 건식전극 제조 과정에서 전극을 구성하는 여러 소재를 서로 묶어주는 바인더 역할을 한다. 그러나 음극 환경에서 성능 저하를 일으킬 수 있고, 환경 규제 이슈가 있는 불소계 소재라는 점에서 대체 기술이 필요하다는 지적이 있었다.

연구팀은 상용 배터리의 습식전극 제조에 쓰이는 ‘카르복시메틸셀룰로오스-스타이렌부타디엔고무(CMC-SBR) 바인더‘ 접착제를 건식전극 공정에 적용했다. 이와 동시에 흑연 입자 구조를 새롭게 설계해 PTFE 없이도 고성능 건식 음극을 구현했다.

연구팀은 흑연·도전재·바인더를 섞은 슬러리를 스프레이 드라이(Spray Drying) 공정으로 과립화했다. 기존의 납작한 판상 흑연을 공 모양의 구형 과립 구조로 바꾼 것이다. 이 구조는 배터리 내부에서 리튬이온이 이동하는 통로를 고르게 확보해 두꺼운 전극에서 나타나는 충·방전 성능 저하를 줄인다.

실험 결과, 개발된 건식 음극은 기존 슬러리 기반 음극보다 급속충전 성능과 장기 사이클 특성이 개선됐다. 고에너지밀도 조건에서도 리튬이온 확산 특성이 향상돼 두꺼운 전극 기반 고용량 배터리 구현 가능성을 보였다.

이번 기술은 전기차, 에너지저장장치(ESS), 차세대 고에너지밀도 배터리 등에 적용할 수 있다. 산업계에서 이미 사용하는 CMC-SBR 바인더 시스템을 활용할 수 있어 대규모 생산 공정에도 적용하기 쉽다. 용매와 건조 공정을 줄여 제조 비용과 탄소배출을 낮추는 데도 도움이 될 수 있다.

윤지희 한국재료연구원 선임연구원은 “이번 기술은 기존 PTFE 기반 건식전극 공정의 한계를 보완하는 접근법”이라며 “고에너지밀도와 급속충전 특성이 필요한 차세대 전기차 배터리 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국재료연구원 기본사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 산업통상부 소재부품기술개발사업, 기계장비산업기술개발사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 4월 21일 에너지 분야 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 온라인판에 게재됐다.