▲ 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.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

전기차 배터리 시장에서 가격 경쟁력을 앞세워 빠르게 확산되고 있는 LFP(리튬인산철) 배터리의 최대 약점으로 꼽혀온 ‘짧은 주행거리’를 개선할 수 있는 새로운 양극 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수 연구팀은 숙명여자대학교 주세훈 교수, 광주과학기술원(GIST) 이은지 교수 연구팀과 공동으로 활성 물질 함량을 99%까지 높인 고출력 LFP 배터리 양극을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’에 2월 14일 온라인 게재됐다.

LFP 배터리는 화재 위험이 낮고 가격이 저렴해 전기차 시장에서 빠르게 점유율을 확대하고 있지만, 상대적으로 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧다는 한계가 있었다. 이는 LFP 활물질의 전기전도도가 낮아 전극 내에 도전재와 바인더 같은 비활성 물질을 많이 넣어야 하는 구조적 문제 때문이었다.

전기를 실제 저장하는 활물질 비중이 낮아지면 같은 크기의 배터리팩에서도 저장 가능한 전력량이 줄어들어 전기차 주행거리에도 영향을 미치게 된다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 도전재 역할을 동시에 수행할 수 있는 기능성 바인더 조합을 설계했다. 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 기반으로 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 탄소나노튜브(SWCNT)를 결합한 구조다.

이 조합은 전도성 고분자 사슬을 정렬시키고 접착력을 강화하면서 동시에 전기가 흐르는 경로를 형성해 기존 전극에서 필요했던 도전재 비율을 크게 줄일 수 있도록 했다. 그 결과 전극 내 비활성 물질 함량을 1% 수준까지 낮추고 활물질 함량을 99%까지 끌어올리는 데 성공했다.

성능 평가 결과, 해당 전극은 도전재 함량을 상용 LFP 전극 대비 90% 이상 줄였음에도 높은 출력 성능을 유지했다. 특히 7.5분 만에 배터리 용량을 모두 방전하는 8C 고속 방전 조건에서도 132mAh/g의 용량을 기록했다.

또 상용 흑연 음극과 결합한 실험에서도 125mAh/g의 용량을 유지했으며, 실제 배터리 작동 환경에 가까운 섭씨 60도 고온 조건에서도 안정적인 성능을 보였다.

단위 면적당 용량도 3.5 mAh 이상을 기록해 동일 공간에 더 많은 활물질을 채울 수 있어 전기차 배터리 주행거리 확대에 유리한 구조를 갖춘 것으로 평가된다.

이번 기술은 환경성과 제조 경쟁력 측면에서도 의미가 있다. 기존 배터리 전극 제조 공정에서는 불소계 바인더를 사용해야 했으며, 이를 녹이기 위해 독성 유기용매를 사용해야 했다. 반면 연구팀이 개발한 바인더 조합은 비불소계 소재 기반으로 독성 용매 사용을 줄일 수 있어 친환경 공정이 가능하다.

강석주 UNIST 교수는 “전극 바인더 조합 설계를 통해 활물질 비중을 크게 높여 LFP 배터리의 고질적인 용량 문제를 해결할 수 있는 기술적 기반을 마련했다”며 “불소계 바인더와 독성 용매를 사용하지 않는 제조 공정이 가능해 배터리 산업의 비용 경쟁력 측면에서도 의미가 있다”고 설명했다.

연구진은 이번 기술이 향후 전기차용 고에너지 밀도 LFP 배터리 개발과 친환경 배터리 제조 공정에 중요한 기술적 기반이 될 것으로 기대하고 있다.

논문명은 Enabling Ultra-High-Loading LiFePO4 Cathodes via a Conductive Binder Architecture with Minimized Inactive Content이다.