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배포일자 : 2024.11.12.(화)				배포번호 : 2024-72호
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ETRI, 신개념 이차전지 설계로 에너지밀도 20%↑

- 집전체 제거한 신개념 셀 설계, 이차전지 무게↓, 에너지밀도↑

- 친환경·저비용의 수계 공정 적용으로 설계 적용성 강화

국내 연구진이 이차전지의 에너지밀도를 약 20% 향상시킬 수 있는 셀 설계 기술을 개발했다. 이차전지의 경량화를 통해, 고에너지밀도의 이차전지를 구현하는데 크게 기여할 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)이 집전체를 제거한 새로운 이차전지 셀 설계 방안을 제시했다. 집전체 제거로 이차전지의 무게를 줄이고, 이를 통해 무게 대비 성능인 에너지밀도를 안정적으로 개선, 높이는 방식이다.

본 성과는 지난 10월 22일 에너지 소재 분야의 최상위 국제 학술지, ‘어드밴스드 에너지 머트리얼’온라인 게재되어 기술의 우수성을 입증받았다.

이차전지는 스마트폰, 전기자동차, 무인 항공기 등 일상생활과 산업 전반에서 활용되는, 12대 국가전략기술 중 하나로 손꼽힌다. 특히, 이차전지의 에너지밀도는 전지가 적용된 기기의 사용 시간과 설치 공간 등에 큰 영향을 미쳐, 이차전지의 성능을 평가하는 중요한 지표 중 하나이다.

이에 따라, 이차전지의 에너지밀도를 개선하기 위해 소재 단위에서의 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 광물 매장지역의 불균일성, 특정 원소의 희소성, 자원 수급 상황에 따른 가격 변동 등의 요인이 큰 장애물이었다. 때문에, 안정적으로 에너지밀도가 개선된 이차전지를 구현하는 데 어려움이 있었다.

이러한 문제 해결을 위해 ETRI 연구진은 소재 의존성을 줄이는 동시에 에너지밀도를 개선하는 방안을 제시했다. 이차전지에서 집전체를 완전히 배제하는 새로운 설계 방식을 고안하고 이를 검증한 것이다.

집전체는 이차전지가 충·방전될 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다. 그러나 집전체의 높은 밀도는 전지의 무게를 증가시키는 원인이 되기도 했다. 이에 따라, 산업계에서는 집전체의 두께를 최소화하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

ETRI 연구진은 집전체 없이 분리막 위에 전극을 직접 도포하는 혁신적인 전극 설계 방안을 제시했다. 또한, 친환경적이고 가격경쟁력이 우수한 수계 공정을 적용하여, 이 설계의 적용 가능성을 한층 더 높였다.

더 나아가, 물에 대한 젖음성(Wettability)이 낮은 분리막 위에 전극을 균일하게 도포하기 위해 수계 공정에서 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 고분자 바인더를 활용했다. 연구진은 고려대학교와의 공동연구를 통해 이 고분자가 계면 안정성을 높일 수 있음을 이론적으로 검증했다.

또한, 새롭게 제시된 전극 구조는 기존과 달리 전해질이 원활하게 통과할 수 있어, 신규 전극을 다층으로 적층한 새로운 형태의 전지 설계가 가능해졌다. 연구진은 이를 통해 기존 이차전지 대비 에너지밀도가 약 20% 개선될 수 있음을 확인했다.

이와 함께, 새로 개발된 전극 설계는 분리막의 안전성을 개선하고 전극의 재활용 가능성을 높이며, 전극 내 전기화학 반응 분석을 용이하게 하는 등의 장점도 확인됐다.

연구책임자인 ETRI 김주영 선임연구원은 “이차전지의 에너지밀도 개선에 활용될 수 있는 일종의 전지 플랫폼을 개발하고자 노력한 결과물이다. 특히 이번 연구는 ETRI 신진연구자의 지원·발굴을 위한 차세대주역 신진연구사업을 통해 이뤄져 더욱 의미가 있다”고 밝혔다.

ETRI 차세대 주역 신진연구사업은 젊고 창의적인 연구자들의 혁신적인 아이디어를 발굴하고 육성하기 위해 ETRI가 자체적으로 운영하는 프로그램이다. 이 사업은 지난해 처음 시작되어 2023년에는 6개 과제를, 2024년에는 7개 과제를 선정하여 지원하고 있다.

연구진은 향후 이번 연구개발의 결과를 보다 확장하여 에너지밀도가 더욱 개선된 이차전지를 구현할 계획이다. 아울러 고에너지밀도와 고출력이 동시에 가능한 전극 설계 등 연구를 지속 수행할 예정이다.

이번 연구는 ETRI 차세대주역 신진연구사업을 바탕으로 과기정통부의 단계도약형 탄소중립기술개발사업과 글로벌 TOP 전략연구단의 지원으로 수행되었다.

ETRI가 주관으로, 고려대학교 김용주 교수 연구팀, 연세대학교 이용민 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 진행되었다. 논문 1저자는 ETRI 김주영 선임연구원과 고려대학교 서민영 연구원이다. <보도자료 본문 끝>

용어설명 및 참고

1) 집전체 : 이차전지 내부의 약 10~20마이크로미터(1만분의 1cm) 두께의 얇은 막으로, 전기 저항이 낮고 이차전지를 충전 또는 방전할 때 전자가 이동할 수 있도록 구성된 요소.

2) 어드밴스드 에너지 머트리얼(Advanced Energy Materials) : IF(24.4), 분야별 JCR(상위 2.65%), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202403655

3) 수계 공정 : 물을 활용한 제조 공정. 일반적 전극 제조 공정에는 유기 용매를 사용되지만 높은 공정 비용, 환경 문제, 작업자의 건강 위험 및 안전성 문제 등의 이유로 수계 바인더 및 친환경 용매, 혹은 건식 제조 공정이 활발히 연구되고 있음

4) 계면 안정성 : 소수성 분리막 표면을 친수성으로 바꿔 수계 슬러리가 원활하게 도포될 수 있게끔 계면 특성을 안정화하는 것

5) 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 고분자 바인더 : [CH2CH(OH)]의 구조가 반복되는 형태의 고분자로, 물에 잘 녹는 것이 특징.

참고1

고에너지밀도 리튬이온 이차전지 셀 설계기술 개요

<기존 전지 구조(왼쪽), 신규 개발된 집전체 배제 전지 설계(오른쪽)>

<신규 개발 전극의 다층 적층을 통한 고에너지밀도 전지 구현>

참고2

수계 공정 적용을 위한 폴리비닐알코올 고분자 바인더 활용 검증

<전극 슬러리 내 폴리비닐알코올 함유 유무에 따른 분리막 상 도포성 평가(왼쪽) 및 전자현미경 분석 결과(오른쪽)>

<폴리비닐알코올과 분리막 간의 상호작용에 대한 분자 시뮬레이션 분석 결과>