한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차용 고성능 건식 배터리 전극이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 전극보다 5배 두꺼우면서도 충전 속도를 유지할 수 있는 혁신적인 기술로, 전기차 배터리 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 정경민 교수 연구팀은 2일 건식 공정을 이용해 기존보다 5배 두꺼운 배터리 전극을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

전기차의 대중화로 인해 대용량 리튬이온배터리의 필요성이 커지면서, 연구진은 용량을 극대화하는 방향으로 전극 설계를 진행했다. 전극을 최대한 두껍게 만들고, 용량과 무관한 구성 요소의 비율을 줄이는 방식이다.

그러나 기존의 습식 전극 제조 방식은 분말 형태의 전극 원료를 화학 용매에 녹여 제조하는 과정에서 용매가 증발하며 뭉침이 발생하기 쉬워, 전극을 두껍게 만드는 데 한계가 있었다.

연구진이 개발한 건식 배터리 전극은 이러한 문제를 해결했다. 합제층 밀도(전극 내 유효 원료 물질의 밀도)는 3.65ｇ/㎤에 달하며, 면적당 용량은 기존 상용 전극(4mAh/㎠)의 5배 수준인 20mAh/㎠까지 증가했다. 이를 배터리에 적용할 경우 전기차 주행거리가 약 14% 늘어날 것으로 분석됐다.

정경민 교수는 "기존 전기차 배터리로는 서울과 부산을 왕복하는 것이 어려웠지만, 이번 기술을 적용하면 600km 이상 주행이 가능해져 1회 충전만으로 왕복 주행도 가능할 것"이라고 설명했다.

충전 속도 저하 문제 해결…친환경 공정까지 갖춘 차세대 기술

두꺼운 전극을 사용할 경우 리튬이온 이동 거리가 길어져 출력이 낮아지고, 이는 충전 속도 저하로 이어지는 단점이 있다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전도성이 높은 다공성 구형 도전재를 활용했다.

이 소재는 리튬이온의 이동 경로를 최적화해 출력 저하를 최소화하고, 충전 속도를 높이는 역할을 한다. 하지만 기존 습식 공정에서는 적용이 어려운 소재였다. 연구팀은 건식 공정을 통해 이 소재를 효과적으로 적용하는 데 성공했다.

또한 건식 공정은 화학 용매를 사용하지 않아 환경 보호 측면에서도 긍정적인 효과를 기대할 수 있다. 연구팀은 "기존의 습식 공정과 달리 용매가 필요 없어 친환경적이며, 대규모 생산 공정에도 적용이 가능하다"고 밝혔다.

제1저자인 오혜성 연구원은 "이번 연구는 건식 전극의 용량 증가와 성능 향상을 동시에 실현한 사례"라며 "실험실 수준의 코인셀을 넘어, 대규모 생산 공정에서도 검증을 마친 1Ah급 파우치셀에서도 성능을 입증했다"고 말했다.

이 연구 결과는 에너지 분야 권위 있는 국제 학술지 Energy & Environmental Science에 후편 표지 논문으로 선정돼 지난달 21일 출간됐다.

이번 연구는 국가과학기술연구회(NST)의 창의형 융합연구사업 ‘탄소중립형 고에너지밀도 배터리를 위한 소재·공정 혁신 융합 솔루션 개발 과제’의 지원을 받아 진행됐다.

전기차 시장이 급성장하는 가운데, UNIST 연구진의 이번 성과는 배터리 기술 발전에 있어 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

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