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캐즘에도 배터리 생산 혁신 '건식 전극' 기술 확보전 가열

건식 전극이 생산 효율을 극대화할 기술로 주목받으면서 주요 기업들이 투자를 확대하면서 점차 상용화 시기가 앞당겨지고 있다는 분석이 나왔다. SNE리서치는 이같은 내용을 담은 '2025 건식 전극 특허 전략 리포트'를 발간했다고 23일 밝혔다. 보고서에 따르면 테슬라는 지난 2019년 맥스웰을 인수하면서 건식 전극 기술을 선도적으로 확보했으며, 지난해 시험 생산을 거쳐 이르면 올해 또는 내년 양산을 본격화할 전망이다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사 역시 특허 회피 및 분쟁 최소화를 위한 기술 개발에 속도를 내고 있다. 보고서는 국내 기업들이 글로벌 선두업체들이 확보한 건식 전극 특허를 우회하기 위해 ▲핵심 바인더 조성 변경 ▲공정 조건·장비 차별화 ▲기업 간 상호 기술을 사용하는 '크로스 라이선스' 협상 강화 등 복수의 방안을 검토 중이라고 적었다. 이같은 전략은 향후 특허 분쟁을 최소화하고 건식 전극 공정 도입 속도를 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 분석했다. 다만 기술적·법적 장벽이 높아, 무리한 양산 일정 단축 시 생산 안정성과 품질 문제가 발생할 수 있다는 점도 주요 리스크로 지목했다. SNE리서치 관계자는 “건식 전극 기술이 기존 습식 공정 대비 친환경적이고 제조 효율도 높아, 한 번에 큰 도약을 이룰 수 있는 혁신 영역으로 꼽힌다”면서도, “다만 특허 분쟁 리스크와 대규모 설비 투자가 요구되는 현실을 무시하기 어렵기 때문에, 섣불리 시장에 진입했다가 오히려 적기(適期)를 놓치는 사례도 나올 수 있다”고 설명했다.

2025.04.23 09:58김윤희

기계연, 배터리 가격은 ↓, 에너지 밀도·용량은 ↑

한국기계연구원은 이차전지장비연구실 우규희, 권신 책임연구원 연구팀이 초고속, 대면적 플래시 공정을 활용, 후막 전극의 열화를 억제하는 전극 활성화 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 연구진은 파일럿 스케일의 롤투롤 테스트 베드를 통해 롤투롤 공정과의 호환성도 성공적으로 입증했다. 이차전지장비연구실 우규희 책임연구원은 "후막 전극의 성능 열화를 획기적으로 억제하는 기술"이라며 "배터리 가격은 낮추고 에너지 밀도와 용량은 높이면서도 크기와 무게를 줄일 수 있는 새로운 가능성"이라고 의미를 부여했다. 후막 전극은 고에너지 밀도 구현이 가능하다. 배터리 팩 층수를 줄여 구조를 단순화함으로써 제조 공정 효율화와 원가를 절감할 수 있다. 그러나 후막 전극은 두꺼운 전극 두께로 인해 리튬 이온과 전자 이동 저항이 증가한다. 이로인해 전해질 침투가 어려워져 율속특성(배터리 충방전 속도 성능지표)과 수명과 같은 전기화학적 성능이 크게 저하되는 문제가 있다. 연구진은 이같은 문제 해결을 위해 후막 전극에 1밀리초 이내의 순간적인 플래시를 조사했다. 이 과정에서 발생하는 광열 반응은 재료의 탄화, 활물질(흑연)의 층간 간격 확장, 기공률 증대, 전해질과의 계면적 확대를 일으킨다. 우규희 책임연구원은 "이러한 화학적, 구조적 변화가 리튬 이온과 전자의 이동성을 향상시키고 전해질 침투성을 개선했다"며 "결과적으로 후막 전극의 성능 열화를 억제한다"고 설명했다. 우 책임연구원은 "표면 광열 반응을 이용하기 때문에 집전체를 포함한 후막 전극 전체가 고온에 노출되는 것을 방지한다"며 "전극 내부 바인더 분해를 최소화해 기계적 내구성을 유지하고, 집전체 산화와 같은 열적 손상도 막을 수 있다"고 부연 설명했다. 연구진은 이 기술이 "이차전지 제조 산업의 표준인 롤투롤 공정과의 호환성이 뛰어나다"며 "니켈-코발트-망간(NCM) 양극 등을 비롯한 여러 전극에 확대 적용도 가능할 것"으로 예상했다. 연구진은 현재 플래시 공정을 전극 건조 공정에 적용하고, 응용성을 평가 중이다. 최근에는 이차전지 장비 기업 N사와 전극폭이 광폭인 양산 수준의 설비를 개발하고 공정 평가도 진행 중이다. 우규희 책임연구원은 “플래시를 이용한 전극 활성화 기술은 롤투롤 공정과 호환이 가능한 후처리 기술이기 때문에 기존의 공정과 제조 설비에 접목이 상대적으로 용이하다”고 말했다. 우 책임연구원은 “국내 이차전지 제조사 진입을 목표로 기술 완성도를 높이고 시험 평가와 검증을 지속적으로 진행해 나갈 예정”이라고 밝혔다.한편 연구결과는 재료·화학 분야 국제학술지 '스몰 매서즈(Small methods) 2월호 표지논문으로 선정됐다.

2025.02.26 19:39박희범

나인테크, FO-PLP·유리기판용 습식 공정장비 개발 완료

이차전지·반도체 장비 전문기업 나인테크는 FO-PLP(팬아웃 패널 레벨 패키징) 및 유리기판용 장비 생산을 위한 기술 개발과 테스트를 완료했다고 3일 밝혔다. 나인테크는 지난 3년간 FO-PLP에 적용되는 모든 습식 세정장비를 해외 반도체회사와 글라스 코어기판 회사에 납품하며 관련 기술력을 쌓은 바 있다. 이번에 개발한 장비는 기술적 부분에서 열 팽창 계수의 변화에 따른 기판의 휨(Warpage) 현상을 핸들링 하는 부분과 기판 두께의 얇아짐에 대응하기 위한 기술이다. 장비 개발 및 테스트를 마쳤으며, 유리관통전극(TGV) 공정의 습식 공정 설비 검증도 완료됐다. 회사는 앞으로 예상되는 장비 수요 증가에 대비해 올해부터 추가 증설 추진을 적극 검토하고 있다. FO-PLP는 기존 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)보다 큰 패널을 사용해 더 많은 반도체 칩을 동시에 패키징 할 수 있는 장비다. 글래스 코어 기판(유리기판), 실리콘포토닉스와 더불어 차세대 반도체 기술로 주목받고 있다. FO-PLP 방식은 기존 WLP방식보다 생산성이 월등해 효율이 높을 뿐만 아니라 원가 절감에도 효과적이지만 기판이 넓어 열로 인한 휨 형상이 발생하고 이로 인해 칩 배선 불량까지 이어질 수 있다는 단점이 있다. 또한 유리기판은 기존 플라스틱 기판을대체함으로써 열에 대한 내구성을 높이고 회로 패턴의 오류를 줄여 수율을 높일 수 있으나, 유리관통전극(TGV) 공정의 고도화 및 인터포저(interposer)에 구리(Cu)를 채우는 기술 역시 추가 개발이 필요한 상황이다. 삼성전자와 TSMC 모두 인공지능(AI) 반도체를 만드는 FO-PLP 기술을 차기 로드맵으로 결정했으며, 이중 TSMC는 FO-PLP 방식과유리기판을 적용해 엔비디아 등 AI 반도체 패키징의 생산능력 한계와 비용 문제를 해결하려 하고 있다. 나인테크 관계자는 "급변하는반도체 시장에서 FO-PLP의 패키징 기술과 유리기판을 통한 반도체 패키징의 핵심 기술이 대두되고 있어 반도체 패키징 공정 선도기업 TSMC 역시 FO-PLP 방식과 유리기판을 통해 생산능력과 비용 문제를 해결하고 있다"며 "FO-PLP 장비 납품 경험을 통해 추가 수주에 박차를 가하면서, 연구개발과 더불어 수요 증대에 대비한 생산시설 확충도 진행 중"이라고 밝혔다.

2025.02.03 09:33장경윤

中 배터리 제칠 키 '건식 전극' 소재·장비 고도화 성큼

국내 배터리 업계가 중국산 대비 가격경쟁력을 확보하는 데 핵심 기술로 꼽히는 '건식 전극' 공정 도입을 준비하고 있다. 이런 가운데 건식 전극 공정에 필요한 소재, 장비 고도화 측면에서도 가시적인 성과가 나고 있다. 현재 습식인 전극 제조 공정을 건식으로 바꿀 경우 제조 비용을 20% 가량 절감할 것으로 기대되고 있다. 특히 핵심 공급처인 전기차 시장이 수요 성장 정체(캐즘)를 겪는 동안 중저가 배터리에 대한 관심이 높아졌는데 이런 수요를 공략하기 유리해진다. 습식 공정에선 양·음극 활물질과 도전재, 바인더 등을 혼합해 만든 액체 상태의 슬러리를 집전체에 얇게 코팅한 뒤, 100% 이상의 온도에서 건조시켜 이를 얇고 평평하게 만드는 롤프레싱 과정을 거친다. 건식 공정에선 슬러리를 고체 파우더 형태로 제조해 바른다. 건조 작업을 생략하는 만큼 전력 사용이 줄고, 공정에 투입되는 시간도 줄어든다. 공정 라인 길이도 줄일 수 있어 생산 효율이 높아진다. 24일 업계에 따르면 이 과정에 필요한 코터, 동박 전문 기업들이 배터리사에 샘플 공급 및 품질 검수를 받고 있다. 씨아이에스(CIS)는 리튬인산철(LFP) 배터리, 전고체 배터리용 건식 전극 공정에 필요한 코터를 개발하고 있다. 코터는 슬러리를 집전체에 코팅하는 데 쓰이는 장비다. 회사는 관련 국책과제 총괄 기관으로도 선정됐다. 씨아이에스 관계자는 “지난 2021년부터 고객사 요구사항에 맞춰 연구개발한 건식 전극 공정용 코터를 납품하고 있다”며 “국책 과제는 3개년 단위라 향후 2년 더 진행될 예정”이라고 말했다. 건식 전극 공정에는 전용 동박이 필요하다. 습식 전극 공정의 경우 건조 과정에서 동박의 강도는 하락하고, 연신도는 증가하는 점을 감안해 생산된 제품이 공급된다. 건식 전극 공정에선 건조 작업 없이 열을 가해 슬러리를 부착하는 만큼, 일반 상온에서도 고온에서도 성능을 유지하면서 고강도, 고연신 특성을 충족하는 동박이 투입돼야 한다. 롯데에너지머티리얼즈는 건식 전극 공정에 최적화된 음극활물질 박리현상 방지 및 고밀착 동박을 주요 고객사에 납품해 제품 승인을 받았다. SK넥실리스도 관련 제품을 연구 개발하고 있다. 모회사 SKC 관계자는 “고연신, 고강도 동박 관련 기술을 보유한 만큼 건식 전극 공정에 쓰일 수 있는 제품 연구개발을 계속 진행하고 있다”고 말했다. LG에너지솔루션, 삼성SDI 등 국내 배터리 기업들은 건식 전극 공정 파일럿 라인을 구축하는 데까지 기술 진전을 이뤘다. 삼성SDI는 지난 9월 충남 천안 공장에 건식 공정 파일럿 라인을 구축, 시범 생산을 시작했다고 밝혔다. LG에너지솔루션은 4분기 중 충북 오창 공장에 건식 공정 파일럿 라인을 진행할 예정이다. 다만 파일럿 라인을 넘어 전체 양산 라인에 건식 전극 공정을 접목하기까진 수 년 이상이 걸릴 전망이다. LG에너지솔루션의 경우 오는 2028년 건식 전극 공정을 상용화할 계획이다. 국내 배터리 업계 관계자는 “현재로선 IRA 보조금을 받아도 중국산 배터리에서 제시하는 가격을 맞추기 어렵지만, 건식 전극 공정을 도입하면 가격 수준을 쫓아갈 수 있다”며 “2~3시간 가량 소요되는 코터 공정 시간도 절약해 생산 효율도 개선할 수 있다”고 했다.

2024.11.24 08:27김윤희

아바코 "차세대 전지 공정 장비 내년초 개발 완료 목표"

이차전지 및 디스플레이 장비 전문기업 아바코가 건식전극용과 리튬-메탈용 배터리 공정 장비 개발을 내년 초에 완료하는 것을 목표로 차세대 전지 공정 장비 개발을 성공적으로 수행하고 있다고 밝혔다. 앞서 아바코는 지난 7월 국내 셀메이커 공장 라인을 대상으로 이차전지 전극공정 장비인 롤프레스, 슬리터, 전극용 테이핑기를 공급하는 계약을 체결했다고 밝혔다. 회사는 "이차전지 전극공정 분야에서 아바코가 장비 기술력을 인정 받아 해당 사업에 성공적으로 진입했다는 의미이며, 사업영역 확장의 일환으로 차세대 전지 공정 장비 개발을 추진하고 있다"고 설명했다. 아바코가 개발하고 있는 건식전극 공정 장비는 기존 이차전지 전극 공정에 적용되고 있는 습식 방식을 대체할 기술적 난이도가 높은 장비다. 활성물질, 도전재, 바인더를 파우더 형태로 혼합해 만들어진 필름의 두께 조절과 라미네이팅을 동시 수행하는 장비로써, 습식 공정에서 필요한 액체 상태의 유기독성(NMP) 용매를 도포하기 위한 건조 과정이 필요 없어 원가절감과 생산성 향상이 효과를 얻을 수 있다. 또한 리튬-메탈 음극 기술을 통해 리튬-메탈용 음극 개발 공정에 대한 핵심 장비를 개발하고 있다고 전했다. 리튬메탈 음극 기술은 기존의 흑연·실리콘의 음극재를 리튬메탈로 대체하면서 에너지 밀도가 기존 대비 10배 이상 증가하고, 빠른 환원 속도로 인해 배터리 충전 속도가 빠르게 진행될 수 있는 기술이다. 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있어 배터리 방전율 감소와 수명을 연장할 수 있는 특징도 있다. 아바코 관계자는 "건식전극 공정 장비의 경우 국내외 셀메이커 기업들도 주목하고 있고, 리튬-메탈 음극기술 역시 국내외 주요 기업들이 해당 기술에 초점을 투고 투자를 이어가는 추세"라며 "해당 차세대 전지 공정 장비에 대해 내년 초 개발 완료를 목표로 국내 고객사 대상 장비 시연을 계획하고 있다"고 전했다. 이어 "차세대 전지 공정 장비 개발 외에도 중장기적으로 2026년부터 2030년에는 상용화될 것으로 예상하고 있는 전고체 배터리 관련 장비 개발을 추진하는 등 다각도로 사업 영역 확장에 주력할 계획이다"라고 덧붙였다.

2024.09.06 10:17이나리

미코 그룹, 사업재편 지속…사업부 양도하고 바이오 경영권 매각

국내 반도체·디스플레이 소재부품 전문기업 미코그룹이 사업 구조 재편을 지속하고 있다. 올 하반기 그룹 내 디스플레이 사업부 양수도 계약을 진행하고, 바이오 관련 자회사의 경영권을 매각하는 등 운영 효율화를 꾀하고 있는 것으로 알려졌다. 3일 업계에 따르면 미코는 지난 7월 자사 하부전극 사업부를 자회사 코미코에 양도했다. 하부전극(Lower Electrode)은 LCD, OLED 등 디스플레이에 쓰이는 정전척(ESC) 중 하나다. 정전척은 디스플레이 식각 공정에서 유리기판을 고정시켜즈는 역할을 맡고 있다. 미코는 지난 2017년경부터 중국향 하부전극 시장에 뛰어들었다. 현재 CSOT, BOE 등 중국 주요 디스플레이 제조업체의 LCD 패널 향으로 제품을 공급 중이다. 미코는 지난 6월 말 코미코에 이 하부전극 사업부를 양도하는 계약을 체결했다. 거래 규모는 약 30억 원 수준이다. 미코가 하부전극 사업부를 코미코에 양도한 이유는 사업 효율화에 있다. 그간 미코는 국내법인과 코미코의 중국 선전 법인을 통해 하부전극을 양산해 왔다. 다만 대부분의 물량이 중국향으로 수출되고 있어, 국내 양산 시 물류비용이 발생하는 등 비효율적인 면이 있었다. 이에 미코는 하부전극 양산 및 사업을 코미코 중국 법인에 집중시키려는 것으로 관측된다. 그 결과 발생하는 국내법인의 유휴 공간은 또 다른 자회사 미코세라믹스의 생산능력 확보 등에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 미코세라믹스는 반도체 장비용 세라믹 소재·부품업체로, 지난 2020년 미코로부터 물적분할됐다. 현재 정전척과 세라믹 히터 등을 주력으로 생산하고 있다. 앞서 미코는 지난해 5월 코미코에 미코세라믹스 지분 47.84%를 매각해, 미코-코미코-미코세라믹스 형태의 수직계열화 구조를 확립한 바 있다. 미코세라믹스는 고사양 히터 및 정전척 수요가 증가할 것이라는 전망 하에 생산능력 확대를 추진하고 있다. 기존 강릉 소재의 제 1·2·3 공장에 이어, 올해 3월부터 제4공장 착공에 돌입했다. 내년 공장 준공 시 연 800억 원 수준의 생산능력 증가가 예상된다. 한편 미코는 최대주주로 있던 미코바이오메드의 경영권을 매각하기도 했다. 지난달 중순 미코바이오메드의 주식 1057만166주를 젬텍 외 5인에게 165억 원에 양도하겠다고 공시한 바 있다. 미코바이오메드는 체외진단 의료기기 전문업체다. 코로나19, 엠폭스 진단키트 등으로 주목받은 바 있으나, 연간 영업손실이 2021년 109억 원, 2022년 259억 원, 2023년 194억 원 등으로 적자를 지속해 왔다.

2024.09.03 13:21장경윤

그린수소 생산 공정 코팅 1회로 "끝"…상용화 준비도 "끝"

그린수소 생산 공정을 혁신적으로 단순화할 수 있는 기술이 개발됐다. 상용화도 바로 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다. 한국재료연구원(KIMS)은 에너지환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 음이온교환막 수전해의 핵심 부품인 전극을 원료물질로부터 바로 양산 가능 수준으로 만드는 '원스텝 전극 제조 공정'을 국내 최초로 개발했다고 19일 밝혔다. 연구팀은 이 기술을 상용 수준의 음이온교환막 수전해 스택에 적용하는 데 성공했다. 최승목 책임연구원은 "원스텝 열간 압착 공정을 사용해, 원료물질인 코발트 수산화물을 촉매인 코발트 산화물로 변환하면서 동시에 코팅 한번으로 고균일 촉매층을 형성하는 기술"이라고 설명했다. 기존 6단계 공정(수산화물-산화물-분쇄-분산-코팅-건조)을 한 번의 코팅으로 마무리할 수 있다는 것. 공정 단가를 60%정도 절감할 것으로 연구진은 기대했다. 연구팀은 온도와 압력을 세밀하게 조절, 10㎚ 크기의 균일한 산화물 입자로 구성된 촉매층을 제조했다. 또 개발된 전극을 음이온교환막과 수소발생촉매를 이용해 막전극접합체를 제조한 후, 상용 수준의 수전해 셀에서 안정성과 성능을 확인했다. 연구팀은 수소 발생 효율은 저위 발열량 기준 약 80%, 성능감소율은 연속 운전 1천시간 동안 2㎷/kh라고 설명했다. 수전해를 통한 그린수소 생산량은 2030년까지 1천100만 톤, 69GW 용량을 가질 것으로 예상된다. 국내에서는 2030년을 목표로 ㎿급 수전해 시스템 상용화를 추진 중이다. 최승목 책임연구원은 “음이온교환막 수전해의 상용화 관련 난제 중 하나를 해결했다”며 “음이온교환막 수전해의 대량 양산이 가능해 단가를 크게 줄일 수 있을 것"으로 기대했다.

2024.06.19 14:28박희범

에기연, 고체산화물 연료전지 성능 4분만에 3배 ↑…세계 최고 수준

고체산화물 연료전지 성능을 4분만에 3배이상 급속 향상 시킬 수 있는 나노촉매 코팅 원천기술이 처음 개발됐다. 한국에너지기술연구원(KIER)은 수소융복합소재연구실 최윤석 박사가 KAIST·부산대학교와 공동으로 4분 만에 고체산화물 연료전지 성능을 3배 이상 향상시키는 촉매 코팅 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 고체산화물 연료전지 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응 속도에 의해 결정된다. 이유는 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응 속도가 느려 전체 반응 속도를 제한한다. 최윤석 선임연구원은 "산업계에서 널리 쓰는 'LSM-YSZ 복합전극'(이하 복합소재) 소재에 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx)을 코팅하는 방법으로 이 문제를 해결했다"고 말했다. 이 복합전극은 전기전도성 페로브스카이트 LSM(Lanthanum Strontium Manganite)과 산소이온 전도성 전해질인 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)로 구성된 공기극 소재다. 연구팀은 이 복합전극을 프라세오디뮴(Pr) 이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흘렸다. 최윤석 선임연구원은 "전극 표면에서 생성된 수산화기(OH-)와 프라세오디뮴 이온이 만나면 침전물 형태로 변하면서 전극에 균일하게 코팅한다"고 설명했다. 이렇게 형성된 코팅층은 건조 과정을 거쳐 산화물 형태로 바뀌고 고온의 환경에서도 안정적으로 전극의 산소환원반응을 촉진한다. 최윤석 선임연구원은 "상온, 상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법을 도입했다"며 "이 코팅 공정에 들이는 시간은 단 4분에 불과했다"고 말했다. 연구팀은 이 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동한 결과, 전기화학 반응 중 발생하는 저항이 10배 이상 낮아진 것을 확인했다. 또 이를 적용한 연료전지는 650℃에서도 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력 생산 성능(142㎽/㎠ → 418㎽/㎠)을 나타냈다. 이는 학계에 보고된 'LSM-YSZ 복합전극' 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다. 최 선임연구원은 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 고체산화물 연료전지 제작 공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정"이라며 "고체산화물 연료전지뿐만 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술"이라고 말했다.최 선임연구워는 또 "현재 0.5㎠의 셀로 시험한 것"이라며 "앞으로 가로, 세로 10㎝ 크기의 셀에 적용할 계획"이라고 덧붙였다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스트 머티리얼즈'에 게재됐다. 예산은 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원을 받았다.

2024.06.12 12:00박희범

KETI, 전고체전지 차세대 양극 기술 개발 성공

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 전고체전지의 에너지·출력 특성을 개선하는 건식 전극용 첨가제 기술을 개발하고 연구 결과를 국제 저명 학술지에 게재했다고 17일 밝혔다. 전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지다. 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지보다 에너지 밀도가 높아 국제적으로 기술 상용화를 위한 원천 기술 확보의 경쟁이 치열하다. 전고체전지에 적용할 수 있는 건식 전극은 습식 제조할 때 쓰는 용매를 사용하지 않아 양극과 음극 활물질층을 두껍게 쌓아 올린 '후막 전극' 구현이 가능하지만, 높은 압력으로 인해 전극 내 기공이 발생해 에너지 밀도가 낮아지는 문제점을 해결해야 하는 게 관건이었다. KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 건식 전극의 제조 공정에서 입도(입자의 크기)가 제어된 리튬염(LiPO2F2) 소재 첨가제를 혼합해 황화물계 전고체전지용 양극을 얇게 구현, 동일 부피당 높아진 용량과 출력 특성을 확보했다. 기술 개발을 주도한 김현승 박사에 따르면 연구진은 고체전해질보다 미립인 전극 첨가제를 설계해 투입함으로써 전극 기공도를 줄였고 해당 입자가 양극 표면에서 보호 피막을 형성하는 특성까지 복합적으로 형성해 전고체전지의 고에너지 밀도 성능 자체를 총체적으로 개선하는 데 성공했다. 또 리튬염 첨가제를 도입해 전극의 화학-기계적 안정성을 개선, 양극 균열 발생과 표면 부반응을 줄였다. 이번 연구 결과는 에너지화학 분야의 세계적인 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=29.698)' 최신호(4/12 발간)에 게재됐다. 논문의 교신저자인 조우석 수석연구원(박사)은 “전고체전지의 급속 충전 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 높은 이온 전도도를 가지는 고체전해질 소재에 집중돼 있지만, 양극과 음극재 구현 기술 역시 중요성이 크다”며 “KETI는 단입자 형태의 NCM 양극재 기술, 석출형 음극재 공정기술 등 전고체전지 분야 차세대 소재 기술을 다수 보유하고 있다”고 밝혔다. 유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI는 일련의 양극재 기술을 융합해 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량인 양극 후막 기술을 적용, 4분 충전에 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보했다”며 “센터는 해외 우수 기술을 넘어서는 핵심 원천 기술을 지속 확보해 국내 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 말했다. 한편, 이번 연구 성과는 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발 사업으로 이뤄졌다.

2024.04.17 10:33주문정

수계 슈퍼커패시터 고속 충방전 위한 전해질 최적농도 찾았다

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 전해질에서 염의 농도를 변화시켜 슈퍼커패시터(Supercapacitor)의 주요 성능을 향상시키는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 슈퍼커패시터는 화학반응을 이용한 리튬계 배터리와 달리 전극과 전해질 계면에서 이온들의 물리적 흡·탈착을 통해 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치다. 일반 커패시터에 비해 축전 용량이 크고 에너지 밀도가 높다. 급속으로 충방전해도 열이 적게 발생하고 반영구적 사이클 수명을 갖는다. 급속한 전력 공급이 필요한 분야에 적합해 태양광‧풍력 등 신재생 에너지 분야에서 수요가 늘고 있다. 기존 슈퍼커패시터에 쓰이는 가연성 유기 용매 기반 전해질은 폭발 위험과 환경 문제 등의 우려가 있다. 이에 따라 안전하고 친환경적인 물 기반 수계전해질을 이용한 에너지저장장치 개발을 위한 연구가 활발하다. 하지만 물은 1.24V에서 전기 분해되어 작동전압을 넓히기 어렵고, 0℃에서 얼기 때문에 겨울철 에너지 저장 성능을 내는데 한계가 있다. 작동전압이 넓고 이온전도도가 적절하며, 전극과 전해질 사이 고체막(SEI)이 안정적인 초고농도 수계전해질(WISE, water-in-salt electrolyte)을 사용해 기존 수계전해질의 문제를 극복하려는 연구가 진행되어 왔으나, 고농도 전해질에 대한 고려 없이 성능 개선에만 초점을 맞췄을 뿐 체계적 분석은 이뤄지지 않았다. GIST 신소재공학부 유승준 교수와 윤명한 교수, 홍익대 신소재공학과 이동욱 교수 공동연구팀은 가격이 저렴한 포타슘 아세테이트(KOAc) 기반 초고농도 수계전해질 내 이온-이온간, 이온-물분자간 물리화학적 상호작용 및 전해질의 농도별 구조 특성을 분석했다. 이를 통해 다공성 전극 표면에서의 흡·탈착 거동을 밝혀냄으로써 이온전도도와 에너지 저장 특성이 최적화된 농도가 5m(몰랄 농도)임을 확인했다. 몰랄 농도는 용매 1㎏ 당 용질의 몰수를 말한다. 또 이 결과를 토대로 초고농도 수계전해질의 상평형도를 제시하고, 영하 20℃에서도 얼지 않고 안정적으로 구동되는 수계 슈퍼커패시터를 개발했다. 초고농도 수계전해질의 농도를 최적화해 수계슈퍼커패시터를 만드는 새로운 기준을 제시하고, 향후 배터리, 수소연료전지, 센서 등 고성능 수계 전자소자 개발에 기여하리란 기대다. 유승준 교수는 "염의 농도 변화만으로 에너지저장 특성의 최적화를 이룰 수 있음을 확인했다"라며 "기존 염 혹은 향후 개발될 전해질 최적화에 가이드라인을 제공할 수 있을 것"이라고 전망했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단, 개인기초연구 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 게재됐다.

2024.01.04 14:05한세희

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