[이 기사에 나온 스타트업에 대한 보다 다양한 기업정보는 유니콘팩토리 빅데이터 플랫폼 '데이터랩'에서 볼 수 있습니다.] (앞줄 왼쪽)KIMS 윤지희 선임연구원과 KERI 황인성 선임연구원이 분무 건조 기법을 활용해 고용량 이차전지 건식전극을 제조하는 데 성공했다/사진=전기연 한국전기연구원은 한국재료연구원(KIMS)과 함께 고용량 이차전지 구현을 위한 '분무건조 기술 기반 고성능 건식 전극 제조기술'을 개발했다고 7일 밝혔다.
이차전지의 전극은 전기를 저장하는 '활물질', 전류의 흐름을 돕는 '도전재', 그리고 이들을 결합하는 접착제 역할의 '바인더'를 혼합해 만든다. 이 혼합 공정에는 용매를 사용하는 '습식 공정'과, 용매 없이 고체 상태의 파우더만으로 혼합하는 '건식 공정'이 있다. 건식 공정은 습식 공정보다 친환경적이고 에너지 밀도를 높일 수 있는 기술로 주목받지만, 세 가지 구성 요소를 균일하게 섞는 데 기술적 한계가 있었다.
이에 양 기관은 식품 및 제약 산업에서 양산성이 입증된 '분무건조' 기법을 건식 공정에 접목했다. 이차전지 건식 전극 내부 소재들의 혼합을 크게 개선한 분무 건조 장비/사진=전기연 재료연 연구진은 활물질과 도전재를 액체 슬러리 형태로 혼합한 뒤, 이를 고온의 유리관 챔버에 분사했다. 챔버 내 높은 온도에서 용매는 빠르게 증발하고, 균일하게 혼합된 활물질-도전재 복합 분말만 남는 방식이다. 이는 커피 농축액을 뜨거운 바람으로 분사해 고체 분말로 만드는 커피믹스 제조 공법과 유사하다.
이렇게 만들어진 복합 분말은 건식 전극 제조에 오랜 노하우를 보유한 전기연 연구진에 의해 고용량 전극으로 개발됐다.
연구진은 복합 분말에 바인더를 혼합한 뒤, 특수 장비를 통해 바인더를 실처럼 늘리는 '섬유화' 과정을 진행했다. 이 정밀한 공정을 통해 활물질, 도전재, 바인더가 구조체로 단단히 엮이며 정교하게 결합됐다. 이후 '캘린더링' 공정을 통해 균일한 밀도의 얇은 필름 형태로 전극을 성형함으로써 배터리용 전극 제조까지 이어졌다. 분무건조 기반 이차전지용 건식 전극 제조공정의 모식도/사진=전기연 이번 기술은 이차전지의 고용량화를 실현하는 데 큰 의미가 있다. 도전재 함량을 최소화하고, 그만큼 활물질을 더 많이 담을 수 있어 배터리 성능을 극대화할 수 있기 때문이다.
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. 또 해당 방식으로 제조된 건식 전극은 상용 전극(2~4mAh/㎠)의 2배에 달하는 약 7mAh/㎠의 면적당 용량을 달성했다.
이번 성과는 재료·화학 분야 세계적 학술지인 케미컬 엔지니어링 저널에 최근 게재됐다. 연구진은 앞으로 후속 연구를 통해 공정 비용을 절감하고 양산성을 높이며, 기업 기술 이전도 추진할 계획이다.
