(울산=국제뉴스) 주영곤 기자 = 배터리 용량을 늘리려고 전극 자체를 두껍게 만들면 출력이 떨어지는 문제가 생기는데, 이를 해결할 후막 전극이 새롭게 개발됐다. 주행 거리가 길어져도 오르막길을 오를 때 힘이 딸리지 않는 전기차 개발에 청신호가 켜졌다.

UNIST 에너지화학공학과 정경민 교수팀은 배터리 후막 전극 내 다공성 구조를 최적화함으로써 출력을 기존 대비 75% 높인 대용량 전극을 개발했다고 5일 밝혔다.

전기차 시장의 화두는 단연 주행거리다. 배터리 전극 자체를 두껍게 쌓아 배터리 용량을 늘리는 '후막' 전극 기술이 주목받는 이유다. 하지만 전극이 두꺼워지면 순간적으로 전기를 방출하는 출력 성능이 떨어지는 문제가 뒤따른다. 전극 두께만큼 리튬이온이 이동해야 할 거리가 늘어나고 통로가 복잡해져 방전 과정이 느려지기 때문이다.

연구팀이 개발한 전극은 면적당 용량이 10mAh/cm²에 달하는 고용량임에도 출력 성능이 뛰어나다. 특히 2C 고출력 환경에서 기존 전극은 면적당 용량이 0.98 mAh/cm²에 그친 반면, 연구팀이 개발한 전극은 1.71 mAh/cm²를 기록했다. 짧은 시간 안에 뽑아낼 수 있는 전기 에너지가 약 75% 늘어났다는 의미다.

연구팀은 전극 내 기공을 두 종류로 분류하는 분석법을 토대로 이 같은 전극을 개발했다. 전극 안에는 리튬이온이 비교적 잘 통과할 수 있는 큰 기공(입자간 기공)과, 전극 첨가제인 도전재와 바인더가 뭉쳐 형성된 미세 기공(CBD 구조)이 공존하는데, 연구팀은 이 가운데 미세 기공이 리튬이온의 흐름을 방해한다고 봤다. 연구팀은 이를 정량적으로 분석할 수 있는 이중공극 전송선 모델(Dual-Pore Transmission Line Model, DTLM)을 자체 개발해 활용했다. 이 정량 분석을 기반으로, 제조 공정과 도전재 함량 등을 조절해 전극의 내부 구조를 최적화했다.

제1저자인 전병진 연구원은 "정량 분석을 통해 얻어진 수식은 데이터가 부족한 상황에서 공식을 기반으로 학습하는 인공지능 기술인 PINN(Physics-Informed Neural Network)을 배터리 설계에 본격적으로 적용할 수 있는 중요한 토대가 될 것"이라고 말했다.

정경민 교수는 "후막 전극 시대에서는 소재 자체 특성뿐만 아니라 소재가 만드는 '미세 구조의 활용도'를 높이는 설계가 중요해질 것"이라며 "이번 연구는 하이니켈 배터리뿐만 아니라 도전재 비중이 높아 설계가 까다로운 리튬인산철(LFP) 배터리 등 차세대 배터리 개발에도 중요한 역할을 할 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지·환경 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난달 12일 게재됐다. 연구수행은 산업통상자원부(MOTIE)의 지원을 받아 한국산업기술기획평가원(KEIT)에서 실시하는 '이차전지 건식 전극용 연속식 대면적 제조 장비 개발' 과제를 통해 이뤄졌다.

(논문명: Thick Electrode Design Enabled by a Carbon-Binder Domain-Resolved Dual-Pore Transmission Line Model for Lithium-Ion Batteries)

※ 붙임 : 연구결과개요, 용어설명, 그림설명

■ 연구 결과 개요

1. 연구배경

리튬이온배터리(LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 전기차(EV), 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 분야에서 필수적으로 활용되고 있다. 최근 배터리 산업은 전극을 두껍게 만들어 에너지 용량을 극대화하는 방향으로 빠르게 전환되고 있으며, 이에 따라 후막 전극의 성능 저하 문제를 근본적으로 해결하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

특히 전극이 두꺼워질수록 내부에서 이온이 이동해야 하는 실제 경로가 복잡해지고, 전자 전도도를 담당하는 탄소–바인더 도메인(CBD)이 활성물질 입자 사이를 메우면서 이온 이동 통로를 막는 구조적 문제가 발생한다. 이러한 이온·전자 전달의 상충 관계는 고속 충전 성능 저하, 반응 불균일성 증가, 열화 가속 등 다양한 부작용을 유발하여 후막 전극 상용화를 제한하는 핵심 요인으로 지적되어 왔다.

그동안의 기존 전극 모델은 전극 내부 공극을 단일 평균값으로 단순화해 해석해 왔기 때문에, 실제 후막 전극에서 관찰되는 이온 저항 증가 현상이나 CBD 구조에 따른 성능 차이를 설명하는 데 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 전극 내 공극 구조를 더 정밀한 관점에서 분석하고, 이온·전자 이동 특성을 분리하여 이해하는 새로운 설계 패러다임이 필요하다는 요구가 커지고 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 전극 내부의 공극 구조와 CBD 미세구조가 후막 전극의 성능과 안정성에 미치는 영향을 규명하고, 이를 기반으로 전극 미세구조를 최적화할 수 있는 설계 전략을 제시하였다. 이를 위해 다양한 CBD 구조를 갖는 후막 전극을 제작하여 전기화학적 성능을 분석하고, 연구팀이 개발한 '이중공극 전송선 모델(DTLM)'을 적용하여 실험 결과를 정량적으로 해석하였다.

전극 내 공극을 활성물질 입자 사이 공극(Interparticle pore) 과 CBD 내부 나노 공극(CBD pore) 으로 분해해 각각의 이온 이동 기여도를 모델 기반으로 정량적으로 분석하는 방식을 도입했다. 그 결과, 후막 전극에서는 CBD가 전자 전도 향상에는 기여하지만 동시에 이온 이동 경로를 크게 제한하는 구조적 병목을 만들며, 이 두 요소의 균형이 전극 성능을 결정하는 핵심 지표임을 밝혀냈다.

특히 CBD가 과도하게 형성될 경우 초기 용량 감소와 고율 성능 급락이 나타났으며, 이는 전극 전체의 이온 접근성(ionic accessibility)이 크게 떨어지기 때문인 것으로 분석되었다. 반대로 CBD가 부족하면 전자 네트워크가 충분히 형성되지 않아 반응 저항이 증가한다는 점도 확인하였다.

이러한 분석을 바탕으로 후막 전극에서 중요한 CBD 함량, 응집체(agglomerate) 형태, 바인더 비율과 같은 변수들을 체계적으로 조정했다. 이를 통해 기존 대비 이온·전자 전달 균형이 개선된 전극 미세구조를 구현했으며, 면적당 용량 10.0 mAh/cm²에 달하는 후막 전극에서도 고율 방전 성능이 유의미하게 향상됨을 실험적으로 검증했다. 특히 2C 고율 조건에서 기존 전극은 0.98 mAh/cm²의 용량만을 유지한 반면, 최적화된 전극은 1.71 mAh/cm²까지 출력 가능한 용량이 증가해, 고출력 환경에서의 실사용 가능 에너지가 약 75% 향상된 것을 확인했다.

또한 DTLM은 특정 공극 구조에서 어떤 종류의 저항이 얼마나 발생하는지 정량적으로 분리해 파악할 수 있다는 점에서 기존 연구와 크게 차별화된다. 이는 후막 전극 설계 시 예상되는 성능 한계를 사전에 판단하고, 미세구조를 정밀 조절함으로써 문제를 해결할 수 있는 새로운 설계 인사이트를 제공한다.

3. 기대효과

이번 연구는 후막 전극의 성능을 최적화하기 위한 새로운 설계 방향을 제시한 사례로, 이를 통해 배터리의 고용량화·고속 충전성·안정성을 동시에 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 특히 DTLM을 기반으로 한 두 공극 네트워크 분석은 기존 전극 모델의 한계를 보완하여, 후막 전극에서 발생하는 전기화학적 한계를 보다 명확하게 이해할 수 있는 실질적 도구로 활용될 전망이다.

또한 본 연구에서 제시한 CBD 최적화 설계 전략은 특정 소재 계열에 국한되지 않으며, 리튬인산철(LFP)처럼 전도성 첨가제 비중이 높고 CBD 구조의 영향이 큰 전극 소재에서도 그 효과가 클 것으로 예상된다. 이는 다양한 상업용 전극 시스템에 적용 가능한 보편적 설계 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

향후 전기차 및 에너지 저장 장치 시장에서 후막 전극의 중요성이 더욱 커질 것으로 예상되는 가운데, 본 연구는 산업에서 요구하는 고에너지·고출력 전극 설계 기술의 기반을 마련하고, 다양한 차세대 양극 소재의 후막 설계를 가능하게 하는 핵심 연구로 자리할 것으로 기대된다.

■ 용 어 설 명

1. 탄소-바인더 도메인 (Carbon-Binder Domain, CBD)

전극 내에서 활성물질 입자 사이를 메우며 전자 통로를 형성하는 탄소와 바인더의 복합 구조를 의미한다. 전자 전도도를 높이는 데 필수적이지만, 지나치게 많거나 뭉쳐 있으면 이온 이동 통로를 막아 성능 저하를 유발할 수 있다.후막 전극에서 CBD 구조는 성능을 좌우하는 핵심 요소다.

2. 이중공극 전송선 모델 (Dual-Pore Transmission Line Model, DTLM)

본 연구팀이 개발한 모델로, 전극 내 두 종류의 이온 이동 경로를 독립적으로 모델링하여 이온 저항의 원인을 정량적으로 파악할 수 있는 이론적 분석 도구이다.

전통 모델은 공극을 단일 값으로 평균화해 한계를 보였지만, DTLM은 후막 전극의 복잡한 구조를 물리적으로 반영한 모델 기반 해석을 가능하게 한다.

3. 후막 전극 (Thick Electrode)

후막 전극은 일반적인 전극보다 활성물질의 적재량을 크게 늘려 제작한 전극을 의미한다. 전극이 두꺼워질수록 동일한 셀 부피 안에 활성물질의 양은 증가하고, 집전체·분리막 등 비활성 구성 요소의 비중은 상대적으로 줄어들기 때문에 배터리의 전체 에너지 밀도가 자연스럽게 올라가는 구조적 장점이 있다.

4. 리튬인산철 (Lithium Iron Phosphate, LFP)

LFP(Lithium Iron Phosphate)는 높은 안전성, 긴 수명, 열 안정성으로 잘 알려진 양극 소재로, 전기차·ESS 등에서 널리 사용되고 있다. 다만 다른 고니켈 계열(NCM, NCA 등)에 비해 전기전도도가 낮아 전도성 첨가제(탄소)의 비중이 매우 크게 요구되는 소재다.

5. 공극 (Pore)

전극 내부에는 활성물질 입자들이 완전히 밀착되어 있지 않기 때문에 자연스럽게 빈 공간(공극)이 형성된다. 이 공극은 배터리 성능에 매우 중요한 역할을 하며, 전해질이 전극 내부로 침투하여 이온이 이동하고 전기화학 반응이 일어날 수 있는 통로를 제공한다.

6. 응집체 (Agglomerate)

응집체는 여러 개의 탄소 블랙(CB) 1차 입자들이 서로 뭉쳐 형성된 덩어리 구조를 의미한다. 전극 제조 과정에서 탄소 블랙은 바인더와 섞이면서 자연스럽게 응집되는데, 이 크기와 형태가 전극의 전자 전도도와 공극 구조, 그리고 이온 이동 경로에 큰 영향을 준다.

■ 그 림 설 명

그림 1. 이원 및 삼원 조성 전극에서 나타나는 서로 다른 미세구조와 공극 구조.

a–c) 이원 조성 또는 삼원 조성으로 제작한 모사 전극의 주사전자현미경(SEM) 이미지:

a) 활성물질과 바인더로만 구성된 전극(A:B = 99.4:0.6 wt%),

b) 카본블랙(CB)과 바인더 전극(B:C = 1:1 wt%),

c) 활성물질–바인더–CB로 이루어진 삼원 복합 전극(A:B:C = 96:2:2 wt%).

d–f) 각각의 전극에 대응되는 수은 압입 공극측정(MIP) 결과:

d) 활성물질 입자 사이에서 형성되는 큰 공극(입자 간 공극),

e) CBD 내부의 미세 공극,

f) 두 종류의 공극이 동시에 존재하여 나타나는 이중 규모의 공극 분포.

g–i) 위 전극 구조를 도식화한 그림:

g) 활성물질 입자들 사이의 큰 공극,

h) CBD 내부의 매우 작은 미세 공극,

i) 삼원 복합 전극에서 두 공극이 함께 존재하는 구조.

그림 2. 구조 분석, 이온 전달 특성 평가, 그리고 이중공극 전송선 모델(DTLM)의 개발.

a) 서로 다른 기공률(공극률)에서 측정한 A:B:C = 96:2:2 wt% 전극의 공극 크기 분포.

b) 기공률 변화에 따른 입자 간(Interparticle) 공극 피크 크기.

c) 전체 공극 부피 중 CBD 공극이 차지하는 부피 비율.

d) 기공률에 따른 CBD 고유 공극률(CBD porosity) 계산 결과.

e) 기공률에 따라 달라지는 대칭 전지(symmetric-cell)의 나이퀴스트 플롯.나이퀴스트 플롯은 전극 안에서 전기와 이온이 얼마나 막히는지를 '저항 지도'처럼 보여주는 그래프다.

f) 전극 내 이온 이동 경로의 복잡도를 나타내는 맥멀린 수(MacMullin number)를 실험적으로 측정하고, 기공률만을 고려하는 기존 브루게만(Bruggeman) 관계식으로 계산한 값과 비교했다. 그 결과, 실제 후막 전극에서는 이온 이동 저항이 기존 이론 예측보다 크게 증가했으며, 이는 전극 내부 미세 기공 구조가 이온 전달을 추가로 제한하고 있음을 의미한다.

g) 실험에서 얻은 맥멀린 수를 DTLM 예측값 및 브루게만 관계식과 비교한 그림.

h) 전극의 상대적 이온 전도도가 입자 간 공극과 CBD 공극에서 각각 얼마나 기여하는지 분해하여 나타낸 결과.

i) 기존 단일 공극 기반 전송선 모델(TLM, 왼쪽)과 이번 연구에서 제안한 이중공극 전송선 모델(DTLM, 오른쪽)의 개념 비교 도식.

그림 3. 도전재인 카본블랙(CB) 함량이 공극 구조와 전달 특성에 미치는 영향.

a) 기공률 20%에서 CB 함량(2–8 wt%)을 변화시킨 전극의 공극 크기 분포.

b) 기공률 변화에 따른 입자 간(Interparticle) 공극 피크 크기.

c) 공극 크기 분포를 분해하여 얻은 입자 간 공극과 CBD 공극의 부피 비율.

d) 기공률 20%에서 계산된 CBD 고유 공극률(CBD porosity).

e) CB 함량에 따른 전자 전도도 변화 및 퍼콜레이션 모델로 수행한 피팅 결과.

f) 서로 다른 CB 함량을 갖는 전극의 맥멀린 수(MacMullin number)를 브루게만 관계식과 비교한 그림.

g) 기공률 20% 조건에서 CB 함량별 전극의 맥멀린 수.

h–i) 기공률 변화에 따른 입자 간 공극과 CBD 공극의 상대적 이온 전도도.

j–k) 상대 전도도와 해당 공극 부피 비율을 곱하여 산출한 입자 간 공극 및 CBD 공극의 실효적 이온 전달 기여도.

그림 4. CB 응집체 (agglomerate) 분쇄가 전극 미세구조에 미치는 영향.

a) 볼 밀링 시간 증가(0, 5, 30분)에 따라 CB 응집체가 점차적으로 분해되는 과정을 보여주는 개략도 및 TEM 이미지.

b–d) 각각 0, 5, 30분 동안 밀링한 CB를 사용해 제작한 전극(A:B:C = 96:2:2 wt%)의 단면 SEM 이미지.

e) EDS 기반 클러스터링 분석으로 얻은 정량적 CBD 클러스터 크기 분포.

f) 기공률 40%에서 측정된 전극의 공극 크기 분포.

g–i) 기공률 변화에 따른 전극 구조 변화를 정량적으로 나타낸 그래프:

g) 입자 간 공극(interparticle pore) 피크 크기 변화,

h) CBD 공극 부피 비율 변화,

i) CBD 고유 공극률(CBD porosity) 변화.

그림 5. CB 함량 및 볼 밀링 시간에 따른 후막 전극(7.0 mAh cm⁻², 20% 기공률)의 임피던스(교류 전류 저항) 및 전기화학 성능.

a) 서로 다른 CB 함량과 볼 밀링 시간을 적용해 제작한 전극의 하프셀(3.8 V) 나이퀴스트 플롯.

b–c) EIS 피팅을 통해 분리한 임피던스 성분을 b) CB 함량과 c) 밀링 시간에 따라 나타낸 그래프.

d) 0.1 C(0.7 mA cm⁻²) 조건에서의 전극 전압–용량 곡선.

e) 동일 조건(0.1 C)에서 측정한 방전 용량.

f–g) 고율 성능 평가 결과(면적 용량 vs. 전류밀도):

f) CB 함량 변화에 따른 고율 성능,

g) 밀링 시간 변화에 따른 고율 성능.

그림 6. 후막 전극 조성 최적화.

a) PVDF/CB 비율을 변화시킨 전극의 박리강도(peel strength) 측정 결과(0분 밀링 CB, A:B:C = 96:2:2 wt% 기준).

b–c) b) 기공률 40%, c) 기공률 20%에서 측정한 공극 크기 분포.

d) 기공률 변화에 따른 전극의 CBD 고유 공극률(CBD porosity) 계산 결과.

e) 입자 간 공극 및 CBD 공극 도메인의 상대적 이온 전도도.

f) 각 공극 도메인이 실제 이온 전달에 얼마나 기여하는지를 나타낸 실효적 전달 기여도.

g) 기공률 20%에서 측정한 맥멀린 수(MacMullin number).

h) 기공률 20%에서 측정한 복합체(composite) 체적 저항 및 계면 저항.

i) 하프셀 EIS 피팅을 통해 분리한 임피던스 성분.

j) 0.1 C(0.7 mA cm⁻²) 조건에서의 방전 용량.

k) 면적 용량 대비 전류밀도로 표현한 고율 성능(rate performance).

그림 7. 최적 조성으로 제작한 10 mAh cm⁻² 후막 전극의 전기화학 성능 평가.

a) 최적 조성을 적용해 제작한 후막 전극의 전압–용량 곡선(습식 공정 및 건식 공정 전극 포함).

b) 서로 다른 양극 조성에서 측정한 0.1 C(1.0 mA cm⁻²) 방전 용량.

c) 면적 용량 대비 전류밀도로 나타낸 고율 성능(rate performance).

d–e) 본 연구에서 개발한 슬러리 공정 기반 최적 조성(Ni83% NCM) 후막 전극의 체적 고율 성능(volumetric rate capability)을 최근 보고된 두꺼운 전극들과 비교한 결과: d) 습식 공정 전극과의 비교, e) 건식 공정 전극과의 비교.

f) NCM/Graphite–SiCx 파우치형 전지(NP 비율 = 1.1)의 1.0 mA cm⁻² 조건 전압 프로파일.

g) 동일 전지의 0.33 C, 300회 사이클 동안의 용량 유지율(capacity retention).

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