[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

모든 리튬이온배터리는 사용 초기 충전 과정에서 일정 수준의 용량 감소가 일어난다. 리튬이온배터리 용량은 화학반응에 참여할 수 있는 ‘살아있는’ 리튬의 양과 직결되는데, 초기 충전 과정에서 리튬이 비가역적으로 소모되기 때문이다. 리튬이온들이 전극 표면에 의도적으로 형성되는 보호막(SEI)에 포함되거나 전해질·바인더와 반응해 다시 회수되지 않는 고체 물질이 되어버리는 것이다.

이러한 초기 용량 감소를 보완하기 위해 배터리 산업에서는 초기 손실을 미리 보충하는 선리튬화(prelithiation) 기술을 활용해 왔다. 다만 기존 선리튬화 방식은 주로 습식 전극 공정을 기반으로 설계돼, 용매를 사용하는 추가 공정이나 별도의 처리 단계를 필요로 했다.

최근 전기차 주행거리 향상을 위해 활물질층 두께를 키운 후막 전극과 독성 용매를 쓰지 않는 건식 전극 공정이 주목받고 있지만, 건식 제조 후막 전극에서는 전극이 두꺼워질수록 초기 충전 과정에서 비가역 반응이 전극 표면에 집중되며 리튬 소모가 더욱 커지는 문제가 나타났다. 기존 선리튬화 기술로는 이러한 건식 후막 전극의 구조적 한계를 효과적으로 해결하기 어려웠다.

2.연구내용

본 연구는 건식 후막 전극의 불균일한 전기화학적 활성과 낮은 초기 효율을 동시에 해결하기 위해 고안되었다. 건식 전극은 구리 집전체(동박)와 건식 활물질 합재층 그리고 그 사이를 붙여주는 얇은 프라이머 층으로 이루어져 있다. 프라이머층은 용매를 사용한 습식으로 코팅하게 되어 건식 전극 제조 공정에 적합성이 떨어진다.

본 연구에서는 프라이머층을 리튬금속층으로 대체하여 프라이머와 선리튬화 역할을 모두 할 수 있도록 하였다. 특히 리튬 금속층이 후막 전극 하단부에 있기 때문에 선리튬화가 전극 하단부부터 진행되어 후막 전극의 불균일한 전기화학적 활성을 보완할 수 있다. 하이니켈 양극(NCM811)과 결합한 전전지(Full Cell) 실험 결과, 초기 쿨롱 효율이 93% 정도 였다. 반면 기존 음극을 적용한 경우에는 초기 쿨롱 효율이 73% 수준이었다. 용량 감소가 75% 정도 줄어든 것이다. 전기차 주행거리로 환산시 주행거리를 기존보다 20% 가량 늘릴 수 있는 효과이며, 동일한 거리를 주행하는 배터리를 만들 경우 배터리팩 크기 자체를 줄여 원가를 절감할 수 있다.

3.기대효과

전극 후막화를 통해 에너지밀도 향상을 기대하지만, 초기 충전 과정에서 발생하는 낮은 초기 효율 문제는 여전히 한계로 남아 있다. 본 연구는 후막 전극 구조에 맞춘 선리튬화 방법을 제시해 초기 효율을 개선함으로써, 전극 후막화를 통한 에너지밀도 극대화를 가능하게 한다. 이를 통해 같은 배터리 팩으로 더 긴 전기차 주행거리를 확보하거나, 동일한 주행거리를 더 작은 배터리 팩으로 구현할 수 있어 배터리 가격 경쟁력 향상에 기여할 수 있다.

또한 프라이머 코팅을 생략해 습식 공정과 건조 공정을 제거함으로써, 전극 제조 전 과정을 완전 건식 공정으로 구성할 수 있다. 이는 현행 롤투롤 기반 대량 생산 공정과의 연계성을 높이고, 전극 제조 공정 단순화와 비용 절감 효과를 동시에 기대할 수 있다는 점에서 초격차 건식 전극 기술 확보에 기여할 것이다.

[붙임] 용어설명

1.전해질계면층(SEI, Solid Electrolyte Interphase)

배터리를 처음 충전할 때 전해질이 분해되며 전극 표면에 형성되는 얇은 보호막이다. 이후 전해질의 추가 분해를 막아 배터리를 안정화하지만, 형성 과정에서 리튬이 고체 성분으로 고정돼 다시 충‧방전에 참여하지 못하는 비가역 손실을 만든다.

2.에너지밀도(Energy density)

배터리가 단위 무게 또는 부피당 저장할 수 있는 에너지의 양을 의미한다. 전극에 더 많은 활물질을 담을수록 에너지밀도가 높아지며, 전기차 주행거리와 직결되는 핵심 성능 지표다.

3.후막 전극(Thick electrode)

전극의 합재층(활물질+바인더) 두께를 기존보다 두껍게 만들어, 하나의 전극에 더 많은 활물질을 담은 구조의 전극이다. 에너지밀도를 높일 수 있는 장점이 있지만, 초기 충전 과정에서 반응이 표면에 집중되며 초기 효율 저하 문제가 나타나기 쉽다.

4.건식 전극(Dry electrode)

독성 용매를 사용하지 않고 활물질과 바인더를 혼합·압착해 제조하는 전극이다. 환경 부담을 줄이고 공정을 단순화할 수 있지만, 전극 접착과 초기 효율 확보가 기술적 과제로 남아 있다.

5.바인더(Binder)

전극 내에서 활물질 입자들을 서로 결합하고, 이를 집전체에 부착시켜주는 고분자 물질이다. 전극의 기계적 안정성을 담당하지만, 초기 충전 과정에서 일부가 리튬과 반응하며 리튬 손실에 관여할 수 있다. 특히 건식 제조 후막 전극에 사용되는 바인더는 이러한 경향이 더 심해 리튬을 더 많이 손실 시킨다.

6.선리튬화(Prelithiation)

배터리 첫 충전 과정에서 발생하는 초기 리튬 손실을 보완하기 위해, 전극에 미리 리튬을 공급하는 기술이다. 초기 효율을 높이는 데 효과적이지만, 기존 방식은 주로 습식 공정을 기반으로 해 건식 전극과의 결합에 한계가 있었다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 건식 후막 전극 맞춤형 초기 용량 감소 보정(선리튬화) 기술

(상단) 건식 전극 공정에서 프라이머 없이 구리 집전체 위에 리튬 금속 박막과 활물질층을 적층해 후막 음극을 만드는 롤투롤 공정 개요 (중단) 만들어진 음극 전극의 전체 구조. 활물질층과 구리집전체 사이의 리튬 금속이 활물질층으로 빨려들어가 리튬 감소를 보충해준다. (하단) 하이니켈 양극과 개발된 후막 음극 전극을 결합한 배터리 성능 실험 결과. 초기 쿨롱 효율이 개선됐으며, 충‧방전 반복 과정에서도 안정적인 용량이 유지됐다.