- 용매 사용하지 않는 배터리 전극 제조 위한 소재/공정 융합 개발 통해 장비까지 실증화 나서

- K-배터리 공정 탄소배출 제로를 통한 2050 대한민국 탄소중립 달성 기여 전망

■ 전 세계적인 전기차 수요 급증과 미래 산업의 전동화, 무선화로 모든 사물이 배터리로 움직이는 시대가 다가오고 있다. 배터리는 친환경화라는 트렌드 속 지속 가능한 성장의 핵심 수단이며, 관계부처 합동 ‘2030 K-배터리 발전 전략’에서 밝힌 바와 같이 탄소중립의 열쇠로써 다시 한 번 주목받고 있다.

□ 하지만 최근 배터리 전극 습식 제조과정에서 용매 건조로 인해 1kWh당 42kg의 이산화탄소가 발생하는 것으로 확인돼 친환경 제조를 위한 공정 혁신이 필요하다.

□ 또한 기존의 배터리 전극 습식 제조 시 건조 공정에서 발생하는 용매와 소재의 층 분리 현상으로 인해 약 100마이크로미터(㎛) 이상의 두께로 전극을 코팅할 수 없다. 이것은 현재 배터리 에너지밀도가 250Wh/kg 이상으로 향상하는 것을 가로막는 기술적인 문제로 꼽힌다.

■ 이러한 문제들을 해결하기 위해 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 울산차세대전지연구개발센터 김진수 박사 연구진이 산-학-연 드림팀을 구성해 탄소배출이 없는 친환경 배터리 만들기에 나섰다.

■ 연구진은 ‘탄소중립형 고에너지밀도 배터리를 위한 소재/공정 혁신 융합 솔루션 개발’ 사업으로 5년간 114억 원을 투입해 국내 최초로 기존 리튬이온배터리 전극 습식 제조에서 용매를 제거한 새로운 건식 공정 개념을 디자인하고 이를 실현하기 위한 기반 소재와 장비까지 실증 수준으로 개발한다.

■ 이번에 개발될 기술은 탄소 배출이 전혀 없는 무용매 반죽 형태의 건식 컴파운드를 만들어 기존보다 에너지밀도가 약 60% 증가한 400Wh/kg급의 리튬이온배터리를 구현할 수 있는 두꺼운 후막 전극을 실증 수준으로 제조할 수 있는 스마트 소재(도전재, 바인더, 음극재)와 연속식 장비(믹서, 코터, 프레스)의 통합 솔루션 개발이다.

□ 일반적인 배터리 전극은 일련의 슬러리 믹싱-코팅-건조-프레싱 개별 공정을 통해 제조된다. 여기서 슬러리란 배터리를 구성하는 리튬 저장 소재(활물질)와 바인더, 도전재가 용매에 분산/용해된 혼합물을 일컫는다. 기존의 배터리 전극 제조는 슬러리의 용매를 건조하고 회수하는 공정상에서 많은 에너지를 소비할 뿐만 아니라 대기 중으로 유증기(VOC: volatile organic compound)까지 배출하기 때문에 친환경적이지 않다는 지적을 받고 있다.

□ 연구진은 건식 후막 전극을 구성 기반 소재로서 전하 전달을 극대화할 수 있는 탄소나노튜브 건식 도전재, 용매를 사용하지 않고 분산이 가능한 무용제 바인더, 그리고 건식 공정에 최적화된 신규 고용량 실리콘계 복합 활물질을 개발할 계획이다.

□ 또한 개발 소재를 전극으로 구현하는 공정을 디자인하기 위해 공정 전산 시뮬레이션, 반제품 평가 프로토콜과 같은 스마트 엔지니어링을 도입하고, 건식 컴파운드 믹싱-전사 코팅-3차원 프레싱을 일련의 연속식 공정으로 통합 개발함으로써 생산 효율성을 극대화할 예정이다.

□ 건식 전극 제조를 위한 소재와 공정 기술 통합 개발은 탄소 배출과 공정 원가를 줄이고 생산 효율성을 제고하는 것뿐만 아니라 후막 전극 구현을 통해 리튬이온배터리의 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 기술이기에 환경적·기술적 파급력이 매우 크다.

■ 연구진은 이번 건식 전극 제조용 소재/공정 혁신 융합 솔루션 개발을 통해 2050년 대한민국 탄소중립 달성과 2030년 K-배터리 소부장 산업에 지속가능한 경쟁력 확보에 기여할 것으로 전망한다. 또한 과제 주요 참여기관이 위치한 울산·경남 지역산업의 미래 성장 동력과 일자리를 창출하고 전고체 배터리 제조 공정 실증화에도 기여할 것으로 예상하고 있다.

■ 이번 연구의 총괄책임자인 김진수 박사는 “이번 배터리 제조 혁신 기술 개발은 폭발적으로 성장하고 있는 배터리 산업이 탄소중립을 달성하여 지속가능한 성장을 할 수 있는 기술적 기반을 지원하는 것에서 그치는 것이 아니라, 배터리 자체의 에너지저장 성능까지 새로운 수준으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

□ 이번 컨소시엄은 한국에너지기술연구원이 총괄주관으로 한국전기연구원, 한국재료연구원, 한국과학기술연구원, ㈜윤성에프앤씨, ㈜한화/기계가 참여하며 경상국립대학교와 울산과학기술원이 위탁연구를 수행할 예정이다.