건식 전극 난제 규명, 연세대-LG에너지솔루션

건식 전극 난제 규명, 연세대-LG에너지솔루션

 

- 건식 전극 상용화 가속화를 통한 “초격차 배터리 기술”선도 기대 
- 배터리 제조 패러다임 전환… 원가 절감·친환경·고밀도 구현 
- 세계적인 과학 저널‘네이처 에너지 (Nature Energy)’게재 

 

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[연세대 김중휘 연구원, 김낙영 연구원, 이상영 교수]

 

건식 전극 난제 규명, 연세대-LG에너지솔루션

 

- 건식 전극 상용화 가속화를 통한 “초격차 배터리 기술”선도 기대 
- 배터리 제조 패러다임 전환… 원가 절감·친환경·고밀도 구현 
- 세계적인 과학 저널‘네이처 에너지 (Nature Energy)’게재 

 

연세대학교와 LG에너지솔루션 연구팀이 차세대 배터리 기술로 주목받고 있는 ‘건식 전극(Dry Electrodes)’의 상용화를 가로막는 기술적 난제를 규명했다.

 

연구팀은 건식 전극의 제조 공정과 전기화학적 성능을 단위 프로세스별로 정밀 분석하고, 배터리 성능 향상을 위한 핵심 화학적 인자를 밝혀냈다. 이를 통해 기존 습식 공정의 한계를 극복하고, 생산 효율과 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있는 실질적 해법을 제시했다.

 

배터리의 성능을 결정짓는 중요한 요소 중 하나는 전극이며, 현재 대부분의 배터리 제조사는 습식 전극 공정을 사용하고 있다. 습식 공정은 전극 활물질과 도전재, 바인더를 고가의 용매와 혼합해 슬러리(Slurry) 형태로 만든 후, 이를 금속 포일(집전체)에 코팅하고 용매를 증발시키는 건조 과정을 거친다. 그러나, 이 과정은 에너지 소비가 많고 공정 시간이 길며, 대규모 설비 투자가 필요해 제조 비용이 높아지는 단점이 있다. 또한, 습식 공정에서는 후막 전극(thick electrode) 제작이 어려워 에너지 밀도를 극대화하는 데 한계가 있다.

 

반면, 건식 전극은 용매 없이 활물질과 도전재, 바인더를 직접 혼합해 고체 파우더 형태로 전극을 제조하는 방식이다. 이 기술을 활용하면 건조 공정이 필요하지 않아 제조 원가를 절감할 수 있으며, 생산 효율을 극대화할 수 있다. 이러한 강점으로 인해 건식 전극은 차세대 배터리 기술의 ‘게임 체인저’로 주목받고 있다. 건식 전극이 완전히 상용화될 경우, 배터리 제조 공정의 패러다임이 근본적으로 변화할 것으로 기대된다.

건식 전극이 상용화되기 위해서는 아직 해결해야 할 기술적 과제가 많다. 연구팀은 그중에서도 ▲전극 균일성 확보 ▲후막 전극 기술 개선 ▲대량 생산을 위한 수율 확보 등을 주요 난제로 지목했다.

건식 전극은 용매 없이 제작되기 때문에, 활물질과 도전재, 바인더가 균일하게 분포되지 않으면 전극의 성능이 저하될 가능성이 크다. 이를 해결하기 위해서는 전극 내 물질을 균일하게 배치할 수 있는 새로운 분산 기술과 압연(캘린더링) 공정의 최적화가 필요하다. 또한, 후막 전극 기술도 개선해야 한다. 후막 전극은 에너지 밀도를 높이는 데 필수적인 기술이지만, 균일한 두께와 밀도로 형성하는 것이 쉽지 않다. 이를 위해 고접착성 바인더와 도전재를 개발하고, 전극이 일정한 밀도로 코팅될 수 있도록 공정을 정밀하게 조정해야 한다.

무엇보다 건식 전극 공정의 대량 생산 과정에서 품질 안정성을 확보하는 것이 관건이다. 기존 습식 공정에 비해 대량 양산 시 생산 수율이 낮을 가능성이 있기 때문에, 이를 높이기 위한 공정 최적화 연구가 필수적이다.

연세대-LG에너지솔루션 연구팀은 이러한 난제들을 제조 공정과 전지 성능 관점에서 분석하고, 그 근본 원인을 이론적으로 규명했다. 또한, 대면적 적용과 상업화를 위한 핵심 기술을 소재 화학적 측면에서 제시하며, 향후 건식 전극 및 배터리 연구 방향을 명확히 정립했다.

연세대 이상영 교수는 "이번 연구는 건식 전극 기술의 난제를 명확히 규명하고, 연구실 단계를 넘어 대량 생산을 위한 실질적인 개발 방향을 제시한 점에서 의미가 크다."며, "이를 통해 건식 전극 연구의 새로운 기준을 확립하고, 배터리 산업계와의 협력을 더욱 강화할 것"이라고 밝혔다.

LG에너지솔루션 김제영 CTO는 "건식 전극은 배터리 제조 원가를 절감하고 생산 효율을 극대화할 수 있는 핵심기술“이라며, ”특히, 급성장하는 중국 배터리 기업들의 추격을 따돌리고 글로벌 시장에서 우위를 유지하기 위한 ‘초격차 기술’”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 나노소재기술개발 사업의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 성과는 세계적 과학 저널 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 2월 26일 자로 게재됐다.

 

(논문 정보)

 

1. 논문 제목: 고용량 배터리 전극의 업스케일링(Upscaling high-areal-capacity battery electrodes)
2. 논문 주소: https://doi.org/10.1038/s41560-025-01720-0

 

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