내구성과 성능을 두루 확보할 수 있는 건식 이차전지 전극 제조기술이 개발됐다.
한국에너지기술연구원(에기연)은 송규진 박사와 케임브리지대 이권형 박사, 울산대 김태희 교수 공동연구팀이 새로운 건식 이차전지 전극 제조기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
개발한 기술은 전극 내부에 가느다란 '실'과 굵은 '밧줄' 형태의 섬유 구조를 동시에 형성하는 '이중 섬유(Dual-fibrous)' 구조의 건식 제조 공정이다. 기존 건식 공정의 낮은 혼합 강도와 성능 저하 문제를 모두 해결할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.
이차전지 전극 제조는 통상 용매의 사용 여부에 따라 습식 공정과 건식 공정으로 구분된다. 습식 공정은 용매에 녹인 바인더를 접착제로 사용해 전극 재료를 균일하게 혼합할 수 있는 장점이 있다. 특히 공정 신뢰도가 높고 성능을 확보하는 데도 유리해 전극 제조 공정에서 주로 활용된다.
하지만 유독성 유기용매를 사용하는 탓에 환경 부담이 크고 건조·회수 등 공정에 들이는 시간이 길어 생산비용이 높은 한계를 가졌다.
최근에는 이러한 한계를 극복하기 위해 건식 공정 기술개발에 무게 추가 더해지는 분위기다. 건식 공정은 용매를 사용하지 않아 공정 속도가 빠르고 환경오염과 에너지 사용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
다만 바인더를 녹일 용매가 없어 섬유처럼 늘어나면서 재료를 물리적으로 붙잡는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTEE)처럼 제한적 소재의 바인더만 사용해야 하는 것이 단점으로 꼽힌다.
같은 이유로 그간 건식 공정에서는 전극 재료를 균일하게 혼합하기 어렵고 혼합 강도가 낮아 완성된 배터리의 성능과 내구성을 확보하기 어렵다는 문제가 제기돼 왔다.
이에 공동연구팀은 PTFE 바인더 소재를 바꾸는 대신에 동일 소재의 물리적 구조를 제어해 '이중 섬유' 구조의 PTFE 바인더를 만드는 방식을 고안·구현했다.
먼저 바인더를 투입하는 방식을 기존 1회에서 2회로 나누는 다단 공정을 설계했다. 소량의 바인더를 투입해 1차 혼합을 수행함으로써 활물질과 도전재를 촘촘하게 연결하는 미세한 '실' 형태의 섬유망을 형성하고 이후 나머지 바인더를 추가 투입하는 2차 혼합으로 기존 섬유망이 유지된 상태로 굵고 튼튼한 '밧줄' 형태의 섬유 구조를 추가 형성토록 한 방식이다.
이를 통해 만들어진 가는 '실' 섬유망은 활물질과 도전재 등 구성 물질들을 균일하게 분산시켜 반응을 균일하게 하고 배터리 성능을 향상시키는 역할을 한다.
또 굵은 '밧줄' 섬유는 전극 전체를 단단하게 묶어 전극의 강도와 기계적 안정성을 크게 높이는 동시에 양산 공정에 필수인 내구성을 강화한다.
이 결과 공동연구팀은 전극의 모든 영역에서 반응 속도와 저항 특성이 빠르고 균일한 반응성을 보이는 것을 확인했다. 이는 배터리 작동 시 에너지 손실을 최소화하고 특정 부분의 성능 저하를 방지해 전지 전체 수명을 늘리는 핵심 요인이 된다.
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송 박사는 "이번 연구는 건식 전극의 핵심 난제였던 전기화학적 균일성과 기계적 내구성을 동시에 해결할 수 있는 독자적 공정 기술을 확립했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "연구 결과는 향후 이차전지 산업의 가격 경쟁력을 높이고 높은 에너지 밀도를 필요로 하는 전기자동차, 에너지저장장치(ESS) 등에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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