“첨가제 0.5% 넣었을 뿐인데” 방전용량 166%↑…배터리 성능저하 잡았다

입력 2026-09-22 12:14:18

- 화학硏, 리튬이온 이동 저항 낮춘 건식 전극 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 첨가제 0.5%만으로 이 같은 전기차 배터리 성능을 저하시키는 ‘리튬 교통체증’ 문제를 해결했다.

한국화학연구원은 문산·석정돈 박사 연구팀이 흑연질화탄소(g-C3N4)를 양극 첨가제로 활용해 리튬이온 이동 저항을 획기적으로 낮춘 건식 후막 양극 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

배터리의 에너지밀도를 높이려면 전극을 두껍게 만들어 에너지를 저장하는 활물질의 양을 늘려야 한다. 하지만 전극이 두꺼워질수록 리튬이온이 내부까지 원활하게 이동하지 못해 저장된 에너지를 충분히 활용하기 어렵다.

기존 습식 전극 제조 방식은 양극재와 바인더 등을 용매에 섞어 바른 뒤 건조하는 과정에서 내부 조성이 불균일해지는 문제가 있다. 용매와 건조 공정을 없앤 건식 방식 역시 두꺼운 전극에서 발생하는 리튬이온 이동 저항까지 해결하지는 못했다.

연구팀은 다공성 흑연질화탄소를 리튬이온의 이동을 돕는 ‘길잡이’로 활용했다. 첨가제 표면의 질소가 리튬이온을 일시적으로 붙잡았다가 놓아주는 결합을 형성해 리튬이온이 전해액에서 양극재로 이동하는 과정을 촉진하는 원리다.

이를 통해 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지를 기존 49.8kJ/mol에서 22.1kJ/mol로 약 56% 낮췄다. 다공성 구조는 전해액이 전극 내부까지 고르게 스며들도록 해 이온 이동성을 높였다.

실제 첨가제를 0.5% 넣은 두께 약 68㎛의 건식 전극은 3C 고속방전 조건에서 용량이 기존 58.8mAh/g에서 156.2mAh/g으로 165.9% 증가했다. 출력밀도는 최대 2.85배 높아졌다.

파우치형 완전전지에서도 600회 충·방전 후 용량 유지율이 기존 72.9%에서 81.3%로 개선됐다.

연구팀은 첨가제를 과도하게 넣으면 오히려 전기저항이 증가하고 전극이 다시 부풀어 오르는 현상으로 이온 이동이 방해받는다는 사실도 확인했다. 첨가량뿐 아니라 전극 내 배치 위치와 기공 구조까지 최적화해야 한다는 의미다.

이 기술은 용매 건조·회수 공정이 필요 없는 건식 제조 방식에 적용돼 배터리 생산비용과 에너지 사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 다만 실제 양산 수율과 제조원가 절감 효과는 추가 검증이 필요하다.

문산 한국화학연구원 이차전지연구센터장은 “0.5% 수준의 적은 첨가제로 전해액 젖음성과 이온 이동을 동시에 개선하고, 첨가제의 양뿐 아니라 배치 위치와 전극 구조까지 최적화했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘익스플로레이션(Exploration)’ 8월호 표지논문으로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com