이산화탄소 배출없는 친환경 배터리 제조 공정 개발

에너지기술연구원, 5년간 114억 투입 예정

[아시아경제 김봉수 기자] 배터리는 탈탄소 사회를 위한 기술의 주축이다. 그러나 현재의 기술로는 아이러니컬하게도 배터리 제조 과정에서 상당량의 이산화탄소가 발생한다. 한국 연구진이 탄소 배출이 없는 친환경 배터리 제조 기술 개발에 나선다.

한국에너지기술연구원은 김진수 울산차세대전지연구개발센터 박사 연구팀이 앞으로 5년간 114억 원을 투입해 국내 최초로 기존 리튬이온배터리 전극 습식 제조에서 용매를 제거한 새로운 건식 공정 개념을 디자인하고 기반 소재와 장비까지 실증 수준으로 개발한다고 7일 밝혔다.

연구팀은 탄소 배출이 전혀 없는 무용매 반죽 형태의 건식 컴파운드를 만들다. 기존보다 에너지밀도가 약 60% 증가한 400Wh/kg급의 리튬이온배터리를 구현할 수 있는 두꺼운 후막 전극을 실증 수준으로 제조조할 수 있는 스마트 소재(도전재, 바인더, 음극재)와 연속식 장비(믹서, 코터, 프레스)의 통합 솔루션을 개발한다.

일반적인 배터리 전극은 일련의 슬러리 믹싱-코팅-건조-프레싱 개별 공정을 통해 제조된다. 여기서 슬러리란 배터리를 구성하는 리튬 저장 소재(활물질)와 바인더, 도전재가 용매에 분산/용해된 혼합물을 일컫는다. 기존의 배터리 전극 제조는 슬러리의 용매를 건조하고 회수하는 공정상에서 많은 에너지를 소비할 뿐만 아니라 대기 중으로 유증기(VOC)까지 배출하기 때문에 친환경적이지 않다는 지적을 받고 있다. 특히 최근 배터리 전극 습식 제조과정에서 용매 건조로 인해 1kWh당 42kg의 이산화탄소가 발생하는 것으로 확인됐다. 또 기존의 배터리 전극 습식 제조 시 건조 공정에서 발생하는 용매와 소재의 층 분리 현상으로 인해 약 100마이크로미터(㎛) 이상의 두께로 전극을 코팅할 수 없다. 이것은 현재 배터리 에너지밀도가 250Wh/kg 이상으로 향상하는 것을 가로막는 기술적인 문제로 꼽힌다.

연구팀은 건식 후막 전극을 구성 기반 소재로서 전하 전달을 극대화할 수 있는 탄소나노튜브 건식 도전재, 용매를 사용하지 않고 분산이 가능한 무용제 바인더, 건식 공정에 최적화된 신규 고용량 실리콘계 복합 활물질을 개발할 계획이다. 또 개발 소재를 전극으로 구현하는 공정을 디자인하기 위해 공정 전산 시뮬레이션, 반제품 평가 프로토콜과 같은 스마트 엔지니어링을 도입한다. 건식 컴파운드 믹싱-전사 코팅-3차원 프레싱을 일련의 연속식 공정으로 통합 개발함으로써 생산 효율성을 극대화할 예정이다.

건식 전극 제조를 위한 소재와 공정 기술 통합 개발은 탄소 배출과 공정 원가를 줄이고 생산 효율성을 제고할 수 있다. 후막 전극 구현을 통해 리튬이온배터리의 에너지밀도를 향상시킬 수 있다.

김진수 박사는 "이번 배터리 제조 혁신 기술 개발은 폭발적으로 성장하고 있는 배터리 산업이 탄소중립을 달성하여 지속가능한 성장을 할 수 있는 기술적 기반을 지원하는 것에서 그치는 것이 아니라, 배터리 자체의 에너지저장 성능까지 새로운 수준으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다"고 설명했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr