UNIST·숙명여대·GIST 공동 연구팀
활성 물질 함량 99%의 고출력 LFP 전극 개발
비불소계 전도성 바인더 조합으로 비활성물질 함량↓

UNIST 강석주 교수(왼쪽)와 노은환 연구원. UNIST 제공

낮은 화재 위험과 가격 경쟁력을 앞세워 전기차 시장을 빠르게 점유해 나가고 있는 리튬인산철(LFP) 배터리의 최대 약점인 작은 용량 즉, ‘짧은 주행거리’를 개선할 수 있는 전극을 국내 연구진이 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 강석주 교수팀이 숙명여대 주세훈 교수, 광주과학기술원(GIST) 이은지 교수팀과 함께 전극 내 활성물질(활물질) 함량을 99%까지 끌어올린 LFP 배터리 양극을 만들었다고 9일 밝혔다.

LFP 배터리는 용량이 작아 전기차에 사용했을 때 한 번 충전으로 달릴 수 있는 거리가 짧다. 전기를 실제 저장하는 LFP 활물질의 전기 전도도가 떨어지는 게 원인이다.

전도도가 떨어지니 전기가 흐르는 길을 깔아주는 역할을 하는 도전재를 많이 넣어야 하고, 도전재와 활물질 가루를 모아 전극에 고정해 주는 바인더 역시 그만큼 많이 투입해야 했다.

그림. 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. UNIST 제공

연구팀은 도전재 역할을 함께할 수 있는 기능성 바인더 조합을 설계해 비활성 물질 함량을 1% 수준으로 낮춘 전극을 개발했다. 도전재와 접착제 역할을 할 수 있는 전도성 고분자를 기반으로 폴리에틸렌글리콜과 탄소나노튜브를 첨가한 조합이다.

폴리에틸렌글리콜은 전도성 고분자 사슬을 정렬하고 접착력을 높여주며, 탄소나노튜브는 전기가 흐르는 길을 보강해 주는 역할을 한다.

이 전극은 도전재 함량을 상용 LFP 전극에 비해 90% 이상 줄였음에도 우수한 출력 성능을 보였고, 배터리 작동 환경과 유사한 섭씨 60도의 고열에서도 안정적으로 작동했다고 연구팀은 설명했다. 또 단위 면적당 용량은 3.5mAh(밀리암페어시) 이상을 기록했는데, 한정된 공간 안에 활물질을 최대한 두껍고 밀도 있게 꽉 채워 주행거리를 늘려야 하는 전기차 배터리에 유리하다.

강석주 교수는 "전극에 쓰이는 바인더 조합을 개발해 활물질 비중을 크게 높여 LFP 배터리의 고질적인 용량 문제를 해결했다"며 "불소계 바인더와 독성 용매를 쓰지 않는 공정도 가능해 제조 경쟁력 측면에서도 의미가 있다"고 말했다.

한국연구재단, UNIST, 과학기술정보통신부의 지원을 받은 이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 '에너지저장물질'(Energy Storage Materials) 온라인판에 지난달 14일 게재됐다.

송현수 기자 songh@busan.com