가천대학교는 이 대학 화공생명배터리공학부 최정현 교수 연구팀이 아주대학교 조성범 교수 연구팀과 공동으로 차세대 전지 제조 기술로 주목 받는 건식 전극 공정의 최적 설계 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.
이번 연구는 건식 전극 공정에서 핵심 요소로 작용하는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 바인더의 섬유화 메커니즘을 규명하고, 입자 단위와 장비 단위에서의 최적 공정 조건을 도출한 것이 특징이다.
최근 전기차는 높은 차량 가격과 1회 충전 시 주행거리 제약으로 보급 확대에 한계를 보이고 있다. 이를 극복하기 위해 전지의 에너지밀도를 높이는 후막 전극 기술의 필요성이 커지고 있지만 기존 습식 전극 공정은 전극 두께가 증가할수록 바인더 이동과 균열이 발생하는 구조적 한계가 있다.
이 때문에 이를 대체할 기술로 용매 없이 활물질과 PTFE 바인더를 혼합해 전극을 제조하는 건식 전극 공정이 주목받고 있다. 건식 공정에서는 PTFE 바인더가 섬유 형태로 늘어나 입자들을 결속하는 ‘섬유화’ 현상이 전극 성능을 좌우하지만 섬유화 거동에 대한 이해 부족으로 공정 설계는 그간 경험에 의존해 왔다.
가천대·아주대 공동 연구팀은 실험적 분석과 인공지능(AI) 기반 시뮬레이션을 결합해 PTFE 바인더의 섬유화 거동을 체계적으로 규명했다. 연구 결과, 활물질 입자 크기에 따라 응력 전달 효율이 달라지는 것을 확인하고 이중 입자(Bimodal) 설계를 통해 섬유화 최적화가 가능하다는 것을 입증했다. 또한 멀티스케일 시뮬레이션과 AI 기법을 활용해 특정 입자 크기에 최적의 응력을 전달할 수 있는 장비 구조와 공정 조건을 함께 제시했다.
\해당 설계 전략을 리튬인산철(LFP) 양극 소재에 적용한 결과, 면적당 용량 10 mAh/cm², 두께 280㎛ 수준의 고후막 건식 전극 구현에 성공해 기존 습식 전극 공정의 한계를 넘어섰다.
이번 연구 성과는 ‘차세대 전지 전극 제조를 위한 다중 스케일 분석 기반 무용매 건식 공정 설계’라는 제목으로 재료과학분야 네이처(Nature) 포트폴리오 저널인 Communications Materials(IF 9.6, Q1)에 게재됐다.
최정현 교수는 “건식 전극 공정은 기존 배터리 제조 공정의 구조적 한계를 극복할 수 있는 핵심 기술”이라며 “실험과 AI 기반 시뮬레이션을 결합해 소재와 공정을 동시에 설계할 수 있는 방법론을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다. 이어 “에너지 소비와 생산 비용을 절감하면서 고에너지밀도 배터리 제조가 가능해져 전기차 배터리 시장의 기술적 장벽 해소에 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
sds1105@sedaily.com
