이차전지 성능 높이는 ‘플래시 공정’ 개발… 롤투롤 제조 기술과 호환

세계 최초로 이차전지 전극 제조에 롤투롤 호환 플래시 공정을 도입해 후막 전극의 성능 저하를 억제하는 기술이 개발됐다. 이를 통해 배터리의 가격을 낮추면서도 에너지 밀도와 용량을 높이고, 크기와 무게를 줄이는 새로운 가능성이 열렸다.

한국기계연구원(이하 기계연) 이차전지장비연구실 우규희·권신 책임연구원 연구팀은 초고속·대면적 플래시 공정을 활용해 후막 전극의 열화를 방지하는 전극 활성화 기술을 개발했다. 또한, 파일럿 스케일의 롤투롤 테스트 베드를 통해 기존 공정과의 높은 호환성을 성공적으로 입증했다.

후막 전극의 한계 극복… 전력 밀도 향상 기대
후막 전극은 높은 에너지 밀도를 구현해 배터리 팩의 층수를 줄이고, 제조 공정을 간소화해 원가 절감 효과를 기대할 수 있다. 하지만 전극이 두꺼워질수록 리튬 이온과 전자의 이동 저항이 증가하고, 전해질 침투가 어려워져 충·방전 성능과 수명이 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 후막 전극에 1밀리초 이내의 순간적인 플래시를 조사하는 방식을 적용했다. 플래시 조사 과정에서 발생하는 광열 반응을 통해 재료의 탄화, 활물질(흑연) 층간 간격 확장, 기공률 증가, 전해질과의 접촉면 확대 등의 효과를 유도했다. 결국, 리튬 이온과 전자의 이동성을 높이고, 전해질 침투성을 개선해 후막 전극의 성능 열화를 억제하는 원리를 구현했다.

기존 롤투롤 공정과의 높은 호환성
표면에서 광열 반응이 발생하기 때문에 집전체를 포함한 전극 전체가 고온에 노출되지 않으며, 내부 바인더 분해를 최소화해 기계적 내구성을 유지할 수 있다. 또한, 집전체의 산화를 방지해 열적 손상 위험을 줄일 수 있다.

해당 기술은 배터리 제조 산업의 표준인 롤투롤 공정과 호환성이 높아 적용이 용이하며, 니켈-코발트-망간(NCM) 양극 등 다양한 전극 소재에도 확대 적용이 가능할 것으로 예상된다.

연구팀은 플래시 공정을 전극 건조 공정에도 적용해 에너지 소비와 공정 시간을 줄이는 효과를 확인했으며, 현재 이차전지 장비 기업과 협력해 양산 수준의 설비 개발 및 공정 평가를 진행 중이다.

우규희 책임연구원은 "플래시를 이용한 전극 활성화 기술은 롤투롤 공정과 쉽게 접목할 수 있는 후처리 기술로, 기존 공정과 제조 설비에 적용이 용이하다"며 "국내 이차전지 제조사 진입을 목표로 기술 완성도를 높이고 시험 평가를 지속적으로 진행할 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌탑전략연구단 및 산업통상자원부 탄소저감형 중대형 이차전지 혁신 제조 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료·화학 분야 국제학술지 ‘Small Methods(IF: 10.7)’ 2025년 2월호 표지논문으로 선정되며 우수성을 인정받았다.