한국전기연구원, 분무건조 기술 기반 고성능 건식 전극 제조기술 개발

한국재료연구원과 공동···전극 대량생산용 건식공정에 활용 기대

[일요신문] 한국전기연구원(KERI)과 한국재료연구원(KIMS)이 고용량 이차전지 구현을 위한 ‘분무건조 기술 기반의 고성능 건식 전극 제조기술’을 공동 개발했다.

KIMS 윤지희 선임연구원(앞줄 왼쪽)과 KERI 황인성 선임연구원이 분무 건조 기법을 활용해 고용량 이차전지 건식전극을 제조하는 데 성공했다. 사진=한국전기연구원 제공

이차전지 전극은 전기에너지를 저장하는 ‘활물질’과 전기의 흐름을 돕는 ‘도전재’, 그리고 일종의 접착제인 ‘바인더’를 섞어 제조된다. 이들을 섞는 방법에는 용매를 활용하는 ‘습식 공정(wet process)’과 용매 없이 고체 상태의 파우더로 섞는 ‘건식 공정’이 있다.

건식 공정은 습식 공정보다 친환경적인 데다, 이차전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 기술로 큰 주목을 받고 있지만, 활물질·도전재·바인더를 균일하게 혼합하는 데 많은 한계가 있었다.

이에 KERI와 KIMS는 식품이나 제약 업계에서 널리 사용될 정도로 양산성이 검증된 ‘분무 건조(spray drying)’ 기법을 건식 공정에 활용했다. 먼저 KIMS 연구진은 활물질과 도전재를 액체 슬러리 형태로 섞은 다음 유리관으로 된 고온의 챔버에 분사했다.

황인성 선임연구원이 복합 분말을 필름 형태로 만드는 일명 ‘캘린더링(Calendering)’ 공정을 통해 이차전지용 건식 전극을 제조하고 있다. 사진=한국전기연구원 제공

챔버 내부의 높은 온도로 인해 용매는 순식간에 증발되고, 고르게 혼합된 활물질·도전재 복합 분말만 얻어내는 원리다. 이는 커피 농축액을 분사하면서 뜨거운 바람을 가해 고체 형태의 분말을 얻는 커피믹스 대량생산 방식과 동일한 공법이다.

분무 건조 기법으로 만들어진 활물질-도전재 복합 분말은 건식 공정의 오랜 노하우와 기술력을 보유 중인 KERI 연구진에 의해 고용량 전극으로 탄생했다. 연구진은 활물질-도전재 분말을 바인더와 혼합한 뒤, 특수 설계된 장비를 통해 바인더를 실처럼 가닥으로 늘려내는 일명 ‘섬유화(Fibrillation)’ 작업을 진행했다.

이러한 섬세한 공정을 통해 활물질·도전재·바인더가 구조체로서 더욱 잘 엮어지고, 정교하게 결합됐다. 마지막으로 연구진은 결합된 활물질·도전재·바인더를 밀도가 균일한 얇은 필름 형태로 만들어내는 ‘캘린더링(Calendering)’ 과정을 거쳤고, 배터리용 전극까지 제조했다.

이차전지 건식 전극 내부 소재들의 혼합을 크게 개선한 분무 건조 장비. 사진=한국전기연구원 제공

KERI와 KIMS는 이번 성과가 이차전지의 고용량을 실현할 것으로 보고 있다. 이차전지 내부 물질 간 최적 혼합을 가능하게 하여 도전재 함량은 기존보다 줄이고, 대신 그 빈자리를 전지 용량과 직결되는 활물질로 채울 수 있는 길을 열었기 때문이다.

공동 연구진은 다수의 실험을 통해 도전재 함량을 기존 건식 전극 문헌에 보고되는 2~5%에서 0.1% 수준까지 획기적으로 낮췄고, 활물질 함량은 세계 최고 수준인 98%까지 달성하는 데 성공했다.

해당 방식으로 제조된 건식 전극은 상용 전극(2~4mAh/㎠)의 2배에 달하는 약 7mAh/㎠의 면적당 용량(Areal Capacity)을 달성했다. 관련 연구결과는 높은 기술력을 인정받아 재료 및 화학분야 세계적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 논문이 최근 게재(IF 13.3 / 상위 3%)됐다.

분무건조 기반 이차전지용 건식 전극 제조공정 모식도. 사진=한국전기연구원 제공

KERI 차세대전지연구센터 황인성 선임연구원은 “전극 내부 소재들의 최적 조합으로 에너지 밀도와 성능 향상에 기여할 수 있고, 전고체전지나 리튬황전지 등 차세대 전지 분야에 모두 적용될 수 있다는 점에서 파급력이 크다”라고 성과의 의의를 짚었다. KIMS 융·복합재료연구본부의 윤지희 선임연구원은 “후속 연구를 통해 공정 비용 절감과 양산성 개선을 진행하고 기술 성숙도를 높여, 향후 기업체 기술이전도 추진할 계획”이라고 밝혔다.

한편 KERI와 KIMS는 모두 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 출연(연) 간 융합 연구의 모범 사례로 꼽힐 만한 이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(CAP21044-210)과 산업부 기계장비산업기술개발사업(RS-2024-00507321)을 통해 공동 진행됐다.

정동욱 부산/경남 기자 [e-mail]