▲ 건식 후막 전극 맞춤형 초기 용량 감소 보정(선리튬화) 기술 / (상단) 건식 전극 공정에서 프라이머 없이 구리 집전체 위에 리튬 금속 박막과 활물질층을 적층해 후막 음극을 만드는 롤투롤 공정 개요 (중단) 만들어진 음극 전극의 전체 구조. 활물질층과 구리집전체 사이의 리튬 금속이 활물질층으로 빨려들어가 리튬 감소를 보충해준다. (하단) 하이니켈 양극과 개발된 후막 음극 전극을 결합한 배터리 성능 실험 결과. 초기 쿨롱 효율이 개선됐으며, 충‧방전 반복 과정에서도 안정적인 용량이 유지됐다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

전기차의 주행거리를 늘리면서도 배터리 제조 비용을 낮출 수 있는 차세대 전극 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 건식 공정 기반 후막 전극의 고질적 한계로 지적돼 온 초기 용량 손실 문제를 해결하면서, 상용화 가능성을 크게 높였다는 평가다.

UNIST 에너지화학공학과 곽원진 교수팀은 가천대 최정현 교수팀, 중앙대 문장혁 교수팀과 공동으로 건식 제조 후막 전극의 초기 용량 손실을 획기적으로 줄이는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 권위지 Energy & Environmental Science에 게재됐다.

후막 전극은 전극 내 활물질층의 두께를 증가시켜 배터리 용량을 높이는 기술로, 전기차 주행거리 향상의 핵심 요소로 주목받고 있다. 특히 유기용매를 사용하지 않는 건식 공정으로 제조되기 때문에 친환경성과 공정 단순화 측면에서도 장점이 있다. 그러나 기존 기술은 초기 충·방전 과정에서 리튬이 손실되는 ‘초기 용량 감소’ 문제가 커 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 음극 활물질층과 동박 사이에 기존 프라이머 대신 ‘리튬 금속 박막’을 삽입하는 구조를 제안했다. 이 리튬 금속은 전극 접착 역할을 수행하는 동시에 초기 충전 과정에서 손실되는 리튬을 미리 보충하는 기능을 한다. 전위차에 의해 리튬이 활물질층으로 이동하면서 자연스럽게 선리튬화(pre-lithiation)가 이루어지는 방식이다.

실험 결과, 해당 기술을 적용한 배터리는 초기 용량 손실이 기존 대비 약 75% 감소했으며, 이를 통해 전기차 주행거리를 약 20% 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이는 동일한 배터리 용량에서도 실제 주행 효율을 크게 높일 수 있음을 의미한다.

공정 측면에서도 경쟁력이 확인됐다. 기존 건식 전극 공정에서도 프라이머 코팅을 위해 별도의 습식 공정과 건조 단계가 필요했으나, 이번 기술은 프라이머를 제거함으로써 완전 건식 공정을 구현했다. 이에 따라 공정 단순화와 함께 제조 비용 절감 효과도 기대된다.

제1저자인 이현욱 연구원은 “전극 접착과 리튬 용량 보충 과정인 선리튬화를 단일 공정으로 처리할 수 있고 현행 배터리 제조 표준인 롤투롤 공정에 바로 연계할 수 있는 기술”이라고 설명했다. 롤투롤(Roll-to-Roll)은 두루마리 형태의 동박을 풀어내며 그 위에 활물질층과 같은 전극 재료를 입히고 다시 감아내는 대량 생산 방식이다. 신문 윤전기가 돌아가는 것과 비슷하다.

곽원진 교수는 “건식 공정을 이용한 전극 후막화 기술은 테슬라 등 글로벌 기업들이 앞다퉈 개발 중인 기술”이라며 “이번 개발된 음극 기술은 하이니켈 양극 등 양극 종류와 관계없이 쓸 수 있어 기술 경쟁에서 우위를 점하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

글로벌 기업들이 건식 전극 기술 확보에 속도를 내고 있는 가운데, 이번 성과는 차세대 배터리 경쟁에서 기술 우위를 확보할 수 있는 기반이 될 것으로 전망된다.

전기차 시장이 성능 경쟁에서 ‘주행거리’와 ‘가격’이라는 두 축으로 재편되는 상황에서, 이번 기술은 두 가지 과제를 동시에 해결할 수 있는 현실적 대안으로 평가된다.

논문명은 Integrated one-step dry process enabling prelithiated thick electrodes without primer coating for high energy density and initial coulombic efficiency이다.