[아이뉴스24 정종오 기자] 한 번 충전해 더 오래 사용하는 배터리를 만들려면 같은 크기와 무게에 더 많은 에너지를 저장해야 한다. 전기자동차가 빠르게 확산하고, 에너지저장장치(ESS)가 확대되고 있는 지금 배터리 효율성은 그 어느 때보다 중요한 시점이다.
한국화학연구원(원장 신석민) 문산·석정돈 박사팀은 흑연 질화 탄소(graphitic carbon nitride, g-C3N4)를 양극 첨가제로 처음 적용해 전해액이 전극 안으로 잘 스며들게 하고 리튬이온이 양극재로 이동하는 데 필요한 에너지를 낮추는 건식 후막 양극 기술을 개발했다.
배터리 전극을 두껍게 만들면 같은 면적에서 집전체·분리막 부품은 덜 사용하고 활물질(전기 저장 물질) 양은 늘릴 수 있어 고 에너지밀도, 장거리 주행용 고용량 배터리 제작에 유리하다. 두꺼워질수록 전극 윗부분만 사용되고 전극 안쪽의 리튬이온 이동이 느려지는 일종의 ‘리튬 교통체증’이 발생해 저장된 에너지를 충분히 활용하기 어려웠다.
지금은 양극재와 바인더 등을 용매에 섞어 바른 뒤 말리는 습식 전극 공정이 널리 쓰인다. 이 방식은 전극이 두꺼워질수록 건조 과정에서 바인더가 위쪽으로 이동해 내부 조성이 불균일해질 수 있다. 건식 공정은 용매와 건조 단계를 없애 이러한 문제를 줄일 수 있는데 전극이 두꺼워질수록 커지는 리튬이온 이동 저항까지 해결하지는 못했다.
연구팀은 다공성 흑연질화탄소(g-C3N4) 첨가제를 전극 속 ‘리튬이온 길잡이’로 활용했다. g-C3N4 첨가제 표면의 질소는 지나가는 리튬이온을 잠시 붙잡았다가 놓아주는 ‘리튬-질소(Li-N) 결합’을 만든다. 두꺼운 건물 안에 중간 환승거점을 배치하는 것처럼 리튬이온이 전해액이라는 ‘외투’를 벗고 양극재로 들어가는 과정을 돕는다.
그 결과 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지가 49.8에서 22.1 kJ/mol로 56% 감소했다. 동시에 다공성 구조가 전해액 젖음성을 높여 전극 내부에서 리튬이온이 더 고르게 분포하도록 했다.
첨가제를 0.5% 넣은 약 68㎛ 두께의 건식 전극은 3C 고속 방전에서 용량이 58.8→156.2 mAh/g으로 165.9% 증가했다. 출력밀도는 최대 2.85배 높아졌다. 파우치형 완전전지에서는 600회 충·방전 후 용량 유지율이 기존 72.9%에서 81.3%로 개선됐다.
첨가제를 무조건 많이 넣는다고 성능이 좋아지지 않았다. g-C3N4는 전기가 잘 통하지 않아 과량 첨가하면 전기저항이 증가했다. 압착한 전극이 시간이 지나며 다시 부푸는 ‘스프링백’으로 내부 이온 통로도 복잡해졌다. 연구팀은 이에 따라 첨가량뿐 아니라 전극 내 배치 위치와 기공구조까지 함께 설계해야 한다는 점을 규명했다.
건식 전극은 용매 건조·회수 공정을 없앨 수 있어 제조비·에너지와 생산공간을 줄일 가능성이 크다. 이번 논문에서는 실제 양산 수율이나 제조원가 절감률을 직접 측정하지는 않았다.
문산 화학연 이차전지연구센터장은 “0.5% 수준의 적은 첨가제로 전해액 젖음성과 이온 이동을 동시에 개선하고 첨가제의 양뿐 아니라 배치 위치와 전극 구조까지 최적화했다는 데 의미가 있다”고 말했다. 신석민 화학연 원장은 “간단하고 경제적 첨가제 공정 방식을 대형 전지에서도 구현하고 실제 생산수율을 검증한다면 전기차와 ESS, 로봇 분야 등 다양한 산업계에 도움이 될 것”이라고 전했다.
이번 성과는 국제학술지 ‘Exploration’에 지난 8월 표지 논문으로 실렸다. 화학연 문산, 석정돈 박사가 교신저자로, 은혜지 석사후연구원이 1저자로 참여했다. 공동저자는 박진규 박사후연구원(화학연), 이가람 학생연구원(화학연), 송영철 책임연구원(화학연), 우미혜 책임연구원(화학연), 최효준(서울대), 이명환 선임연구원(화학연), 김은지(화학연), 김영수·박지영(Thermo Fisher Scientific Korea), 이상영(연세대) 등이다.
/정종오 기자(ikokid@inews24.com)