이차전지는 스마트폰, 전기자동차, 무인 항공기 등 일상생활과 산업 전반에서 활용되는, 12대 국가전략기술 중 하나다. 특히 이차전지의 에너지밀도는 전지가 적용된 기기의 사용 시간과 설치 공간 등에 큰 영향을 미쳐, 이차전지의 성능을 평가하는 중요한 지표다. 이차전지의 에너지밀도를 개선하기 위해 소재 단위에서의 연구가 활발히 진행 중이나 광물 매장지역의 불균일성, 특정 원소의 희소성, 자원 수급 상황에 따른 가격 변동 등으로 에너지밀도가 개선된 이차전지를 구현하는 데 어려움이 있었다.

한국전자통신연구원(ETRI)이 이차전지의 에너지밀도를 약 20% 향상시킬 수 있는 셀 설계 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

집전체는 이차전지가 충·방전될 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는다. 그러나 집전체의 높은 밀도는 전지의 무게를 증가시키는 원인으로 집전체의 두께를 최소화하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

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

물에 젖는 성질인 습윤성(Wettability)이 낮은 분리막 위에 전극을 균일하게 도포하기 위해 수계 공정에서 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 고분자 바인더를 활용했다. 연구진은 고려대학교와의 공동연구로 이 고분자가 계면 안정성을 높일 수 있음을 이론적으로 검증했다.

새롭게 제시된 전극 구조는 기존과 달리 전해질이 원활하게 통과할 수 있어 신규 전극을 다층으로 적층한 새로운 형태의 전지 설계가 가능해졌다. 연구진은 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.

연구진은 이번 연구개발 결과를 확장해 에너지밀도가 더욱 개선된 이차전지를 구현할 계획이다. 아울러 고에너지밀도와 고출력이 동시에 가능한 전극 설계 등 연구를 지속할 예정이다.

이번 연구는 ETRI 차세대주역 신진연구사업을 바탕으로 고려대학교 김용주 교수 연구팀, 연세대학교 이용민 교수 연구팀과 공동 연구로 진행됐다. ETRI 차세대 주역 신진연구사업은 젊고 창의적인 연구자들의 혁신적인 아이디어를 발굴하고 육성하기 위해 ETRI가 자체적으로 운영하는 프로그램이다. 

연구책임자인 ETRI 김주영 선임연구원은 “이차전지의 에너지밀도 개선에 활용될 수 있는 일종의 전지 플랫폼을 개발하고자 노력한 결과물이다.”라고 밝혔다. 

[알림] ‘GTT KOREA’와 ‘전자신문인터넷’이 공동으로 주최하는 “NSWS(Next Smart Work Summit) 2024”에서는 글로벌 스마트워크 솔루션 선도 기업들이 참여하여 최신 기술과 시장 동향, 그리고 기업이 당면한 문제의 해결 방안을 심도 있게 다룰 예정이다. 이번 서밋에서는 AI와 스마트워크를 활용한 혁신적인 업무 환경 구축 및 활용 전략 공유와 함께 전시 부스를 통해 기업에 필요한 다양한 스마트워크 활용법을 구체적으로 체험해 볼 수 있는 장도 마련된다.