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이차전지 건식 전극 내부 소재들의 혼합을 크게 개선한 분무 건조 장비. 한국전기연구원(KERI)·한국재료연구원(KIMS) 제공

[파이낸셜뉴스] 한국전기연구원(KERI)과 한국재료연구원(KIMS)이 고용량 이차전지 구현을 위한 ‘분무건조 기술 기반의 고성능 건식 전극 제조기술’을 공동 개발했다.

7일 KERI와 KIMS에 따르면 이차전지 전극은 전기에너지를 저장하는 ‘활물질’과 전기의 흐름을 돕는 ‘도전재’와 일종의 접착제인 ‘바인더’를 섞어 제조된다. 이들을 섞는 방법에는 용매를 활용하는 ‘습식 공정(wet process)’과 용매 없이 고체 상태의 파우더로 섞는 ‘건식 공정’이 있는데 건식 공정은 습식 공정보다 친환경적인 데다, 이차전지의 에너지 밀도를 높일 수 있는 기술로 큰 주목을 받고 있다.

KERI와 KIMS는 식품이나 제약 업계에서 널리 사용될 정도로 양산성이 검증된 ‘분무 건조(spray drying)’ 기법을 건식 공정에 활용했다. 먼저, KIMS 연구진은 활물질과 도전재를 액체 슬러리 형태로 섞은 다음 유리관으로 된 고온의 챔버에 분사했다. 챔버 내부의 높은 온도로 인해 용매는 순식간에 증발되고, 고르게 혼합된 활물질-도전재 복합 분말만 얻어내는 원리다. 이는 커피 농축액을 분사하면서 뜨거운 바람을 가해 고체 형태의 분말을 얻는 커피믹스 대량생산 방식과 동일한 공법이다. 분무 건조 기법으로 만들어진 활물질-도전재 복합 분말은, 건식 공정의 오랜 노하우와 기술력을 보유 중인 KERI 연구진에 의해 고용량 전극으로 탄생했다.

KERI와 KIMS는 이번 성과가 이차전지의 고용량을 실현할 것으로 보고 있다. 이차전지 내부 물질 간 최적 혼합을 가능하게 해 도전재 함량은 기존보다 줄이고, 대신 그 빈자리를 전지 용량과 직결되는 활물질로 채울 수 있는 길을 열었기 때문이다.

공동 연구진은 다수의 실험을 통해 도전재 함량을 기존 건식 전극 문헌에 보고되는 2~5%에서 0.1% 수준까지 획기적으로 낮췄고, 활물질 함량은 세계 최고 수준인 98%까지 달성하는 데 성공했다. 또 해당 방식으로 제조된 건식 전극은 상용 전극(2~4mAh/㎠)의 2배에 달하는 약 7mAh/㎠의 면적당 용량(Areal Capacity)을 달성했다. 관련 연구결과는 높은 기술력을 인정받아 재료 및 화학분야 세계적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 논문이 최근 게재(IF 13.3 / 상위 3%)됐다.

한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 산업부 기계장비산업기술개발사업을 통해 공동 진행됐다.

jiany@fnnews.com 연지안 기자

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