‘커피믹스 제조 원리’로 고용량 이차전지 구현… 활물질 함량 98% 달성

한국전기연구원(KERI)과 한국재료연구원(KIMS)이 분무건조(spray drying) 기술을 응용한 고성능 이차전지용 건식 전극 제조기술을 공동 개발했다. 이 기술은 활물질 함량을 98%까지 끌어올리는 데 성공하며, 차세대 전지 시장에서 주목받고 있다.

전극은 전기를 저장하는 활물질, 전류를 전달하는 도전재, 입자를 결합하는 바인더로 구성된다. 기존 전극 제조에는 액체 용매를 사용하는 습식 공정이 주로 사용됐으나, 환경 부담과 에너지 밀도 한계로 인해 고체 상태의 재료를 혼합하는 건식 공정이 새로운 대안으로 부상하고 있다. 다만, 세 가지 구성 물질을 균일하게 섞는 데 어려움이 있어 상용화에는 제약이 있었다.

공동 연구진은 이를 해결하기 위해 식품 산업에서 널리 사용되는 분무건조 방식을 도입했다. KIMS는 활물질과 도전재를 액상 슬러리 형태로 혼합한 뒤, 고온 챔버에 분사해 용매를 순간적으로 증발시킴으로써 균일하게 혼합된 복합 분말을 얻었다. 이는 커피 농축액을 고온에서 분사해 분말로 만드는 커피믹스 제조 원리와 유사하다.

이후 KERI는 해당 복합 분말에 바인더를 더해, 이를 실처럼 가늘게 늘이는 섬유화(fibrillation) 과정을 거쳤다. 입자 간 결합력을 극대화한 이 구조는 정밀한 압축 공정을 통해 얇고 밀도 높은 전극 필름으로 완성됐다. 이 과정을 통해 도전재 함량은 기존 2~5%에서 0.1% 수준까지 줄었고, 에너지 저장에 직접 관여하는 활물질 비중은 98%로 크게 향상됐다.

실험 결과, 새로 개발된 전극은 면적당 용량(Areal Capacity)에서 기존 상용 전극(2~4mAh/㎠)을 크게 웃도는 7mAh/㎠를 기록했다. 관련 연구 성과는 재료·화학 분야 세계적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.3)’에 최근 게재됐다.

KERI 차세대전지연구센터 황인성 선임연구원은 “구성 재료 간 이상적인 조합을 구현해 전지 성능을 극대화할 수 있으며, 전고체전지나 리튬황전지 등 차세대 배터리 기술에도 폭넓게 응용 가능하다”고 말했다. KIMS 융·복합재료연구본부 윤지희 선임연구원은 “공정 비용 절감과 양산성 확보를 위한 후속 연구도 진행 중이며, 향후 기술이전도 검토하고 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(CAP21044-210)과 산업통상자원부 기계장비산업기술개발사업(RS-2024-00507321)의 지원을 받아 공동 수행됐다. 출연연 간 협업을 통해 산업 응용까지 고려한 기술 성과를 도출했다는 점에서 모범적 사례로 평가된다.