양초 파라핀으로 만든 '혁신 배터리' 3~5년 내 상용화 가능

국내 연구진이 양초 주성분인 파라핀으로 값싼 배터리 핵심소재 제조에 성공했다. 3~5년 내 파일럿 수준의 상용화 가능성도 제시됐다. DGIST는 김진수 에너지공학과 교수 연구팀이 파라핀 소재로 배터리 제조의 난제로 꼽히던 건식 전극 공정 한계를 극복하고, 가격은 획기적으로 낮추면서 환경 오염은 없앤 새로운 건식 전극 바인더 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 바인더는 배터리에서 활물질과 도전재 입자들을 서로 붙이고, 전극을 집전체(구리/알루미늄 포일)에 고정시키는 고분자 재료를 말한다. 이번 기술 개발 의미에 대해 김진수 교수는 "불소계 중심이던 건식 전극 기술 패러다임을 파라핀으로 전환했다는 점에서 의미가 크다"며 "기존 공정의 복잡성과 환경적 부담을 동시에 줄일 수 있다는 점에서 학문적 가치도 높다"고 평했다. 현재 전 세계 배터리 산업은 습식 전극 공정에서 건식으로 전환 중이다. 습식은 배터리 재료를 유기 용매에 섞어 슬러리 형태로 코팅한 뒤 거대한 오븐에서 건조한다. 이로 인해 높은 에너지 소비와 탄소배출, 고가 운영비가 발생한다. 또 용매 건조시 발생하는 소재의 불균일한 이동도 문제였다. 반면 건식은 배터리 소재를 입자 상태로 압착해 전극을 만들기 때문에, 습식 대비 공정 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 테슬라는 올해 1월, 양극과 음극에 건식 공정을 적용한 4680 배터리셀을 양산한다고 발표했다. LG에너지솔루션도 2028년 건식 전극 기술 상용화 계획을 발표했다. 그러나 건식 전극에 주로 쓰이는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 비싸고, 과불소화합물(PFAS) 환경 규제 문제가 있는데다, 접착력이 낮아 별도 접착층 습식 코팅이 필요하다. 연구팀이 이 문제의 해결책을 실험실용 밀봉 필름인 파라필름 주성분에서 찾았다. 파라필름이 파라핀과 폴리에틸렌이라는 점에 착안, 새로운 배터리 건식 전극 바인더로 적용하는 데 성공한 것. 연구팀은 "파라필름은 60도 저온에서 활물질을 고정하며 집전체에 별도 습식 접착층 없이도 건식 전극 제조가 가능하다"며 "PTFE 바인더 비용 대비 23분의 1수준이면 제조한다. 지구온난화지수(GWP)도 PTFE가 1만 2,200인데 비해 이보다 현저히 낮은 2200분의 1 수준인 5.5"라고 설명했다. PTFE 1만 2,200은 온실가스 1만 2,200kg으로 보면 된다. GWP는 특정 기간 동안(주로 100년) 1kg의 온실가스가 이산화탄소 1kg과 동일한 양의 적외선을 흡수하는 정도(=1)를 비교한 값이다. 연구팀은 또 파라필름 바인더가 전극 내부에서 균일하게 분포, 이온 전달 특성이 우수하다는 점도 확인했다. 파라필름은 넓은 전압 환경에서도 산화되거나 환원되지 않는 안정성도 우수하게 나타냈다. 또한 리튬이온 배터리(LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂) 양극 시스템에서 1000회 이상 충방전 후에도 성능 저하가 없었다. 기판과 코팅층 사이 접착력을 높이기 위한 중간층인 프라이머 없이 무용매 공정으로 구현한 점도 연구팀은 장점으로 꼽았다. 연구팀은 3 cm × 4 cm 규모 파우치셀 제작과 트윈스크류 연속 압출공정을 적용, 파라필름 기반 건식 전극 기술의 상용성도 검증했다. 현재 원천기술 특허 권리를 확보, 관련 수요기업을 대상으로 기술이전을 추진할 예정이다. DGIST 김진수 교수는 “현재 연구단계에서 파라필름 기반 전극의 기계적 안정성, 전기화학적 안정성, 열안정성은 충분히 검증됐다"며 "다만 실제 양산 공정에서는 롤투롤 연속 제조 기술과의 호환성 검증, 대면적 전극의 균일성 확보와 같은 과제가 남아 있다"고 부연 설명했다. 김 교수는 또 "이 같은 과제가 해결된다면, 3~5년 이내에 파일럿 수준의 상용화 적용이 가능할 것"으로 전망했다. 연구는 김민경, 유태균, 장성빈 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.