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왼쪽부터 김진수 DGIST교수, 김민경·유태균·장성빈 연구원 |
현재 전 세계 배터리 산업은 에너지 효율을 높이고 환경 부하를 줄이기 위해 기존 습식 전극 공정(Wet process)에서 건식 전극 공정(Dry process)으로의 전환을 서두르고 있다. 습식 공정은 배터리 재료를 유기 용매에 섞어 슬러리 형태로 코팅한 뒤 거대한 오븐에서 건조하는 방식을 사용한다. 이 과정에서 높은 에너지 소비와 탄소배출, 그리고 높은 운영 비가 발생하며, 용매 건조시 발생하는 소재의 불균일한 이동 문제로 인해 두꺼운 후막 전극을 만드는 데 한계가 있었다.
하지만 건식 전극 공정은 배터래 소재를 입자 상태로 압착해 전극을 만드는 기술로, 기존 습식 방식 대비 공정 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 이와 관련 테슬라는 지난 1월 양극과 음극 모두 건식 전극 공정을 적용, 4680 배터리셀을 양산한다고 발표고, LG에너지솔루션도 2028년을 목표로 건식 전극 기술 상용화 계획을 발표하고 파일럿 라인을 구축하는 등 기술 선점에 나서고 있다.
하지만 건식 전극의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더 소재는 비싼 가격, 과불소화합물(PFAS) 환경 규제 문제, 그리고 낮은 접착력으로 인해 별도의 접착층 습식 코팅이 필요한 한계를 지니고 있었다.
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기존 배터리 전극 제조 공정 한계와 파라필름 기반 건식 전극 기술 비교 이미지 |
연구팀은 고정관념을 깨는 파격적인 해법을 제시했다. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 양초의 주원료인 파라핀을 배터리 제조에 도입했다. 연구팀은 실험실용 밀봉 필름인 파라필름(Parafilm® M)의 주성분이 파라핀과 폴리에틸렌이라는 점에 착안, 새로운 배터리 건식 전극 바인더로 적용하는 데 성공했다.
파라필름은 60℃의 저온에서 활물질을 고정하며 집전체에 별도 습식 접착층 없이도 건식 전극 제조가 가능하다. 그리고 PTFE 바인더 비용을 95% 수준, 그리고 지구온난화지수(GWP)도 1/2200배 수준으로 절감할 수 있어 탄소중립 달성에 유리하다. 그리고 연구팀은 파라필름 바인더가 전극 내부에서 균일하게 분포하여 이온 전달 특성이 우수하다는 점을 확인했다. 그리고 파라필름은 넓은 전압 환경에서도 산화되거나 환원되지 않는 우수한 안정성을 보였다. 또한 NCM811 양극재 기준으로 1000회 충·방전 후에도 성능 저하 없는 안정적인 수명 특성을 확인했다.
연구팀은 3㎝×4㎝ 규모 파우치셀 제작과 트윈스크류 연속 압출공정을 적용하여 파라필름 기반 건식 전극 기술의 상용성도 검증했다. 현재 원천기술 특허 권리를 확보해 관련 수요기업을 대상으로 기술이전을 추진할 예정이다.
김진수 교수는 “우리가 개발한 파라필름 바인더는 건식 공정의 경제성과 친환경성을 극대화할 수 있는 핵심 원천기술”이라며, “지속가능한 배터리 제조 기술 공급을 통해 한국의 배터리 산업 주도권을 높이는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.
이번 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 DGIST 스타트업 펀드 지원을 받아 수행됐다. 김민경, 유태균, 장성빈 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구성과는 최근 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
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