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가격 경쟁력을 앞세워 전기차 시장을 빠르게 점유해 나가고 있는 LFP 배터리의 최대 약점인 ‘짧은 주행거리’를 개선할 수 있는 전극이 개발됐다. UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수팀은 숙명여자대학교 주세훈 교수, 광주과학기술원 이은지 교수팀과 함께 전극 내 ‘활성물질’ (활물질) 함량을 99%까지 끌어올린 LFP 배터리 양극을 개발했다고 9일 밝혔다. LFP 배터리는 화재위험이 낮고 가격이 저렴한 배터리지만, 용량이 작아 한 번 충전으로 달릴 수 있는 거리가 짧다. 전기를 실제 저장하는 LFP 활물질의 전기전도도가 떨어지는 것이 그 원인 중 하나다. 전도도가 떨어지니 전기가 흐르는 길을 깔아주는 역할의 도전재를 많이 넣어야 하고, 도전재와 활물질 가루들을 모아 전극에 고정해 주는 바인더 역시 그만큼 많이 투입돼야 했다. 활물질 함량이 떨어져 결국 같은 무게의 배터리팩을 만들면 전기 저장량이 줄어들 수밖에 없다. 연구팀은 도전재 역할을 함께할 수 있는 기능성 바인더 조합을 설계해 비활성 물질 함량을 1% 수준으로 낮춘 전극을 개발할 수 있었다. 도전재와 접착제 역할을 할 수 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 기반으로 폴리에틸렌글리콜과 탄소나노튜브(SWCNT)를 첨가한 조합이다. 폴리에틸렌글리콜은 전도성 고분자 사슬을 정렬하고 접착력을 높여주며, 탄소나노튜브는 전기가 흐르는 길을 보강해 주는 역할이다. 이 전극은 도전재 함량을 상용 LFP 전극에 비해 90% 이상 줄였음에도 불구하고 우수한 출력 성능을 보였다. 7.5분 만에 전체 배터리 용량을 모두 방전 수준의 8C 고속 방전 조건에서도 132mAh/g의 높은 용량을 기록한 것이다. 출력은 급가속과 같은 상황에서 빠르게 전기를 뽑아 쓰는 힘인데, 도전재 함량이 줄어들면 출력이 떨어지는 것이 일반적이다. 또 상용 음극인 흑연과 결합했을 때도 125mAh/g의 용량을 유지했으며, 배터리 작동 환경과 유사한 섭씨 60도의 고열에서 안정적으로 작동했다. 단위 면적당 용량도 3.5 mAh 이상을 기록했는데, 이는 한정된 공간 안에 활물질을 최대한 두껍고 밀도 있게 꽉 채워 주행거리를 늘려야 하는 전기차 배터리에 매우 유리한 특성이다. 개발된 전극은 친환경적이고 배터리 제조 단가도 낮출 수 있다. 전극에 쓰는 기존 바인더들은 불소계 물질인데, 이를 녹여 전극판에 바르려면 독성 유기용매를 써야 한다. 독성 물질을 안전하게 처리하기 위해는 공장에 비싼 회수 설비가 들어가고 이는 고스란히 제조 원가 상승으로 이어진다. 게다가 불소 화합물은 최근 전 세계적으로 강력한 환경 규제 대상에 오르며 퇴출 압박을 받고 있는 물질이다. 강석주 교수는 “전극에 쓰이는 바인더 조합을 개발해 활물질 비중을 크게 높여 LFP 배터리의 고질적인 용량 문제를 해결했다”며 “불소계 바인더와 독성 용매를 쓰지 않는 공정이 가능해 제조 경쟁력 측면에서도 의미가 있다”고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단(NRF), 울산과학기술원(UNIST), 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘에너지저장물질(Energy Storage Materials, IF 20.2)’에 2월 14일 온라인 게재됐다. (논문명: Enabling Ultra-High-Loading LiFePO4 Cathodes via a Conductive Binder Architecture with Minimized Inactive Content) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1.연구배경 리튬인산철(LFP) 배터리는 높은 안전성과 가격 경쟁력 덕분에 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 널리 사용되고 있다. 그러나 낮은 작동 전압 특성으로 인해 에너지 밀도 향상이 중요한 과제로 남아 있다. 특히 상용 LFP 전극은 바인더와 도전재 등 비활성 물질이 차지하는 비율이 높아, 실제 에너지를 저장하는 활물질 비율이 제한된다. 또한 현재 널리 사용되는 불소계 바인더(PVDF)는 독성 유기용매(NMP)를 필요로 하며, 환경적 부담과 공정 비용 문제를 동반한다. 따라서 비불소계 기반으로 바인더 사용량을 획기적으로 줄이면서도 전도성과 기계적 안정성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 전극 설계 전략이 필요하다. 2.연구내용 UNIST 연구팀은 전도성과 접착성을 동시에 갖는 비불소계 전도성 고분자 바인더(PEDOT:PSS 기반)를 설계해, 바인더를 단순 접착제가 아닌 전도 네트워크 형성 요소로 활용했다. PEDOT:PSS에 PEG를 최적 비율로 도입해 고분자 결정성과 전자 이동성을 향상시켰으며, 소량의 탄소나노튜브(SWCNT)를 결합해 전극 내부에 연속적인 전도 경로를 구축했다. 이 설계 전략을 통해 활물질 99%, 바인더 1% 미만 전극 구현에 성공했다. 전기화학 성능 평가 결과, 해당 전극은 8C 고속 조건에서 약 130 mAh g⁻¹ 이상의 용량을 유지했으며, 1000회 이상 사이클 이후에도 높은 용량 유지율을 나타냈다. 또한 그래파이트 음극과 조합한 풀셀(full cell)에서도 8C에서 약 125 mAh g⁻¹의 우수한 고율 성능을 보였으며, 60°C 고온 조건에서도 안정적인 작동 특성을 확인했다. 특히 3.5 mAh cm⁻² 이상의 높은 면적용량을 확보해 실제 응용 가능성도 입증했다. 이 과정에서 DFT 계산을 통해 전도성 고분자 바인더가 기존 PVDF보다 LFP 표면과 더 강한 결합 에너지를 갖는다는 점을 규명했으며, 기계적 응집력 분석(SAICAS)을 통해 전극 구조 안정성을 실험적으로 검증했다. 3.기대효과 이번 연구는 불소계 바인더를 완전히 대체 하면서도 바인더 사용량을 1% 미만으로 줄여 활물질 비율을 극대화한 새로운 전극 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 비활성 물질 비율을 최소화함으로써 동일한 부피에서 더 많은 에너지를 저장할 수 있어, LFP 기반 배터리의 에너지 밀도를 실질적으로 향상시킬 수 있다. 또 수계 공정 기반으로 기존 전극 제조 인프라와의 호환성이 높아 산업적 확장성이 크며, 친환경 배터리 공정으로의 전환에도 기여할 수 있다. 나아가 이번에 제시된 전도성 바인더 기반 초고함량 전극 설계 원리는 LFP뿐 아니라 다양한 양극 및 음극 시스템에도 확장 적용 가능할 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
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1.리튬인산철(LFP, Lithium Iron Phosphate) 배터리 삼원계(NCM) 배터리와 함께 전기차 배터리 시장을 양분하는 대표적인 리튬이온배터리로, 철(Fe)을 기반으로 한 올리빈(olivine) 구조의 LFP 소재를 양극으로 사용한다. 고가의 희귀 지하자원인 코발트(Co)를 쓰지 않아 가격 경쟁력이 높고, 고온에서도 구조가 잘 유지돼 안전성이 뛰어나다. 다만 평균 작동 전압이 약 3.4 V로, 삼원계 배터리(3.6~3.7 V)보다 낮아 에너지 밀도(같은 부피나 무게에 저장할 수 있는 에너지양) 향상이 중요한 과제로 남아 있다. 배터리에 저장할 수 있는 에너지의 양은 활물질의 양과 작동 전압에 비례한다. 2.바인더(Binder) 전극에서 활물질 입자와 집전체(Al foil)를 서로 붙잡아 주는 접착제 역할의 소재이다. 일반적으로 전기 전도성이 낮은 고분자(PVDF 등)를 사용하며, 도전재와 함께 전체 전극을 구성한다. 본 연구에서는 전도성과 접착성을 동시에 갖는 전도성 고분자를 활용해 바인더 함량을 1% 미만으로 줄였다. 3.불소계 바인더(PVDF, Polyvinylidene Fluoride) 현재 상용 배터리 전극에 가장 널리 사용되는 바인더 소재. 화학적 안정성이 높지만, 불소(F)를 포함하고 있으며 독성 유기용매(NMP)를 필요로 한다는 단점이 있다. 환경 부담과 공정 비용 문제로 인해 비불소계 대체 소재 개발이 요구되고 있다. 4.비불소계 전도성 고분자 바인더 (PEDOT:PSS 기반) 전도성과 접착성을 동시에 갖는 고분자 소재. PEDOT는 전자가 흐를 수 있는 전도 경로를 제공하며, PSS는 입자 표면과의 결합을 강화한다. 본 연구에서는 이를 최적화해 단순 접착제가 아닌 ‘전도 네트워크 형성 소재’로 활용했다. 5.C-rate (충·방전 속도 지표) 배터리 충·방전 속도를 나타내는 단위. 1C는 1시간에 완전 충·방전하는 속도이며, 8C는 약 7.5분 만에 충·방전하는 고속 조건을 의미한다. 숫자가 높을수록 빠른 충·방전을 뜻한다. 6.면적용량 (Areal Capacity, mAh cm⁻²) 전극 단위 면적당 저장할 수 있는 전기 용량을 의미한다. 실제 전기차용 배터리 적용에서는 g당 용량뿐 아니라 면적용량이 중요하며, 3 mAh cm⁻² 이상은 상용 수준으로 평가된다. 7.풀셀(Full Cell) 양극과 음극을 실제 조합해 구성한 배터리 셀. 연구 단계에서 사용하는 반쪽 셀(half-cell)과 달리, 실제 배터리 환경과 유사한 조건에서 성능을 평가할 수 있다. 8.SAICAS (Surface and Interfacial Cutting and Analysis System) 전극 내부의 응집력(cohesion strength)과 계면 접착력을 정량적으로 분석하는 장비. 다이아몬드 블레이드로 전극을 절단하면서 측정되는 힘을 통해 기계적 안정성을 평가한다. 9.DFT (Density Functional Theory) 물질의 전자 구조와 결합 에너지를 계산하는 양자역학 기반 이론 계산 방법. 본 연구에서는 바인더와 LFP 표면 사이의 결합 에너지를 비교해 접착 메커니즘을 규명했다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 활성물질(활물질) 초고함량 LFP 전극의 구조와 성능 전도성 고분자 바인더와 탄소나노튜브(SWCNT)로 형성된 전도 네트워크가 리튬인산철(LFP) 입자들을 효과적으로 연결해 전자가 빠르게 이동할 수 있도록 돕는다. 이를 통해 바인더와 도전재를 1% 미만으로 줄여, 활물질 비율이 99%인 초고함량 전극을 만들었다. 이 전극은 고속 방전(8C) 조건에서도 높은 용량을 유지하고, 1000회 이상 충·방전과 60°C 고온 환경에서도 안정적인 성능을 보였다.
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![[연구그림] 활성물질 함량 99%인 LFP 전극의 구조와 성능](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2026/03/연구그림-활성물질-함량-99인-LFP-전극의-구조와-성능.jpg)