국내 연구진이 이차전지 전극 제조에 롤투롤(Roll-to-Roll) 호환 플래시 공정을 도입해 후막 전극의 성능 열화를 획기적으로 억제하는 기술을 개발했다. 에너지 밀도와 용량은 높이면서도 크기와 무게를 줄인 값싼 배터리 개발 가능성을 제시했다는 평가다.

한국기계연구원은 26일 이차전지장비 연구실(우규희, 권신 책임연구원 연구팀)이 초고속, 대면적 플래시 공정을 활용해 후막 전극 열화를 억제하는 전극 활성화 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 파일럿 스케일의 롤투롤 테스트 베드를 통해 롤투롤 공정과의 호환성도 성공적으로 입증했다.

후막 전극은 고에너지 밀도를 구현하며 배터리 팩의 층수를 줄여 구조를 단순화하고, 제조 공정을 효율화함으로써 원가를 획기적으로 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.

반면 두꺼운 전극 두께로 인해 리튬 이온과 전자의 이동 저항이 증가하고 전해질 침투가 어려워져 율속특성(Rate Capability: 배터리의 충·방전 속도를 나타내는 성능지표)과 수명과 같은 전기화학적 성능이 크게 저하되는 문제가 있어 왔다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 후막 전극에 1ms(밀리초, 1천분의 1초) 이내의 순간적인 플래시를 조사했다. 이 과정에서 발생하는 광열 반응(photothemal reaction: 광에너지가 열에너지로 전환되는 반응)은 재료의 탄화, 활물질(흑연)의 층간 간격 확장, 기공률 증대, 전해질과의 계면적 확대와 같은 반응을 즉각적으로 일으킨다. 이런 화학적, 구조적 변화가 리튬 이온과 전자의 이동성을 향상시키고 전해질 침투성을 개선해 결과적으로 후막 전극의 성능 열화를 억제하는 원리다.

표면 광열 반응을 이용하므로 집전체를 포함한 후막 전극 전체가 고온에 노출되는 것을 방지해 전극 내부의 바인더 분해를 최소화함으로써 기계적 내구성을 유지하고, 집전체의 산화와 같은 열적 손상도 막을 수 있는 장점이 있다.

해당 기술은 이차전지 제조 산업의 표준인 롤투롤 공정과의 호환성이 높고, 니켈-코발트-망간(NCM) 양극등을 비롯한 여러 전극에 대해서도 확대 적용이 가능할 것으로 예상된다.

연구팀은 특히 플래시 공정을 전극 건조 공정에 적용하고 응용성 평가를 수행 중인데, 전극 건조에 소모되는 에너지와 공정 시간을 크게 감소시키면서 동시에 전극 활성화 효과까지 유도할 수 있다는 것을 확인했다. 최근엔 이차전지 장비 기업과 협력해 양산 수준의 설비를 개발하고 공정 평가도 진행하고 있다.

우규희 책임연구원은 "플래시를 이용한 전극 활성화 기술은 롤투롤 공정과 호환이 가능한 후처리 기술이기 때문에 기존의 공정과 제조 설비에 접목이 상대적으로 용이하다"며 "국내 이차전지 제조사 진입을 목표로 기술 완성도를 높이고 시험 평가와 검증을 지속적으로 진행해 나갈 예정"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌탑전략연구단사업 및 산업통상자원부 탄소저감형 중대형 이차전지 혁신 제조 기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료·화학 분야 국제학술지인 'Small methods(IF: 10.7)'의 2025년 2월호 표지논문으로 선정됐다.