재료硏-전기硏, 빠른충전·긴주행, 차세대 배터리 전극 제조 기술 개발

- 기존 건식전극 한계 극복한 차세대 고성능 배터리 음극 제조 기술 개발

- 전기차 주행거리 향상·급속충전 구현 기대

- 친환경 배터리 제조공정 상용화 가능성 제시

연구팀 사진. (왼쪽부터) 한국전기연구원 황인성 박사, 한국재료연구원 윤지희 선임연구원,

한국재료연구원 김대령 연구원, 한국전기연구원 이창호 연구원. (자료제공: KIMS)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 융·복합재료연구본부 윤지희 박사 연구팀이 한국전기연구원 황인성 박사 연구팀과 공동으로 건식전극 공정의 핵심소재인 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 없이도 고성능 배터리 구현이 가능한 ‘형상 제어 흑연 과립 기반 건식 전극 제조 기술’을 국내 최초로 개발했다고 6월 9일 밝혔다. 

이번 기술은 전기차 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축하는 것은 물론, 차세대 친환경 배터리 제조공정의 상용화를 앞당길 수 있는 기술로 기대된다.

KIMS에서 개발한 형상 제어 흑연과립 기반 PTFE-free 건식 전극 개발 개념도. (자료제공: KIMS)

스프레이드라이 공정을 통한 형상제어 과립 제조 기술 과정 모식도. (자료제공: KIMS)

최근 전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장이 확대되면서 배터리를 더 오래 사용하고 더 빠르게 충전할 수 있는 고에너지밀도 배터리 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 특히 배터리 제조 과정에서 유기용매 사용과 건조 공정을 최소화하는 ‘건식전극(Dry Electrode)’ 기술이 차세대 공정으로 주목받고 있다. 

건식전극은 제조 비용과 탄소배출을 줄일 수 있다는 장점이 있지만, 현재 대부분의 기술이 PTFE라는 특정 소재에 의존하고 있어 이를 대체할 수 있는 차세대 기술 개발이 중요한 과제로 꼽힌다.

PTFE는 건식전극 제조 과정에서 전극을 구성하는 여러 소재를 서로 결합하는 핵심 역할(바인더) 소재다. 하지만 음극 환경에서 성능 저하를 유발할 수 있고, 환경 규제 이슈가 있는 불소계 소재라는 점에서 대체 기술의 개발 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다. 

업계에서는 PTFE 없이 건식전극을 구현하기 어렵다고 여겨져 왔지만, 연구팀은 현재 상용 배터리의 습식전극 제조에 널리 사용되는 CMC-SBR 바인더(접착제)를 건식전극 공정에 적용하면서 흑연 입자 구조를 새롭게 설계해 PTFE 없이도 고성능 건식 음극을 새롭게 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 흑연, 도전재, 바인더를 혼합한 슬러리를 스프레이 드라이(Spray Drying) 공정으로 과립화해 기존의 납작한 판상 모양의 흑연을 공 모양의 구형 과립 구조로 재구성했다. 즉, 종이처럼 납작한 흑연 입자를 둥글게 뭉쳐 배터리 내부에서 리튬이온이 좀 더 원활하게 이동할 수 있도록 만든 것이다. 이를 통해 리튬이온이 지나가는 길을 보다 고르게 확보하고, 기존 건식 음극에서 전극이 두꺼울수록 나타나던 충·방전 성능 저하 문제를 개선할 수 있었다.

실제 실험 결과, 개발된 건식 음극은 기존 슬러리 기반의 음극 대비 우수한 급속충전 성능과 장기 사이클 특성을 나타냈다. 또한 고에너지밀도 조건에서도 리튬이온 확산 특성이 크게 향상돼 두꺼운 전극 기반의 고용량 배터리 구현 가능성을 확인했다. 이는 한 번 충전으로 더 오래 사용할 수 있는 배터리와 빠른 충전이 가능한 배터리 개발에 유리한 기술적 기반이 될 것으로 기대된다.

연구팀이 개발한 형상제어 흑연기반 건식 전극을 들고 있는 모습. (자료제공: KIMS)

이번 기술은 전기차, 에너지저장장치(ESS), 차세대 고에너지밀도 배터리 등에 적용 가능하다. 특히 전기차 주행거리 향상과 급속충전 기술 구현에 기여할 수 있어 차세대 배터리 산업의 핵심 기술로 활용될 전망이다. 또한 산업계에서 이미 사용 중인 CMC-SBR 바인더 시스템을 그대로 활용할 수 있어 대규모 생산 공정 적용에 유리하며, 용매 및 건조 공정을 최소화해 제조 비용 절감과 탄소배출 감소 효과도 기대할 수 있다.

연구책임자인 KIMS 윤지희 선임연구원은 “이번 기술은 기존 PTFE 기반 건식전극 공정의 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법”이라며 “고에너지밀도와 급속충전 특성을 동시에 요구하는 차세대 전기차 배터리 분야에 활용이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIMS 기본사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 산업통상부 소재부품기술개발사업, 기계장비산업기술개발사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 세계적 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’에 2026년 4월 21일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]