포스텍·UNIST·KIST 공동연구, '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 게재
포스텍 연구팀이 건식 전극 기반 친환경 배터리 제조 공정을 획기적으로 개선해 제조 시간을 크게 줄이면서도 전극의 강도를 획기적으로 높이는 데 성공했다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과·배터리공학과 박규영 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 신소재공학과·배터리공학과 박규영 교수, 배터리공학과 통합과정 박조규 씨, UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 정경민 교수, 통합과정 오혜성 씨, KIST(한국과학기술연구원) 에너지저장연구센터 유정근 박사 공동연구팀이 마치 빵 반죽을 짧은 시간에 치대면서도 더 쫄깃하게 만드는 것처럼 친환경 배터리를 만드는 데 걸리던 시간을 4분의 1로 줄이면서도 강도는 3배 더 높이는 데 성공했다고 13일 밝혔다.
이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.
배터리 전극을 만들 때 보통 물이나 화학 용액을 사용하지만 이를 쓰지 않고도 전극을 만드는 '건식 전극'이 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.
이 기술은 용매를 사용하지 않아 친환경적이고 비용을 절감할 수 있으며 전극을 더 두껍게 만들어 같은 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, 테슬라 등 글로벌 배터리 기업들이 이 기술에 주목하는 이유다.
그러나 전극 제조에 시간이 걸리고 만들어진 전극은 쉽게 부서졌다. 특히 더 많은 에너지를 저장하기 위해 배터리를 지탱하는 접착제와 도전재(전도성 물질)를 줄이면 에너지 밀도는 높아지지만 전극 구조가 불안정해지고 성능이 급격히 떨어졌다.
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| ▲ UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 정경민 교수. [포스텍 제공] |
연구팀은 재료를 섞는 '니딩' 공정에 문제가 있다고 판단했다. '니딩'은 밀가루 반죽을 치대듯 배터리 재료를 섞는 과정으로 전극 구조와 물성이 결정되는 단계다. 그러나 이 과정에서 일어나는 변화를 정밀하게 제어하는 게 쉽지 않았다.
연구팀은 해결책으로 에너지를 저장하는 활물질 표면에 탄소나노튜브를 입혔다. 그러자 활물질 표면이 미세하게 울퉁불퉁해져 재료들이 서로 잘 엉기고 바인더가 그 사이사이를 촘촘하게 연결했다.
덕분에 가장 시간이 많이 소요되던 니딩 공정은 75% 이상 단축됐고 전극 강도는 최대 3배 이상 향상됐다. 특히 바인더 사용량을 10분의 1 수준으로 줄였는데 바인더가 줄어들면 전극 내부의 공간이 더 확보되어 같은 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.
나아가 연구팀은 1Ah(암페어시) 파우치형 배터리까지 제작해 실험실 수준을 넘어 실제 양산 가능성도 확인했다.
박규영 교수는 "이번 연구는 건식 전극 제조의 가장 큰 난제로 꼽혀온 '공정 속도'와 '구조적 취약성'을 동시에 해결했다"며 차세대 고에너지 배터리 생산을 앞당길 출발점이 되길 기대한다"라고 전했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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