전자빔으로 반고체 배터리 대량 생산

한국원자력연구원

국내 연구진이 방사선 기술을 이용해 안전하고, 경제적인 반고체 배터리 생산 공정을 개발했다.

전자빔을 이용한 겔(반고체) 전해질 배터리 제조 모식도. 그림출처=한국원자력연구원 제공

한국원자력연구원은 최은영 박사팀이 박수진 포항공대 교수팀 등과 공동으로 전자빔을 이용해 반고체 배터리를 한 번에 대량 생산하는 ‘원팟(one-pot)’ 신기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

전기차나 휴대전화 등에 흔히 사용되는 리튬이온 배터리는 필수적인 에너지 저장 장치로 자리 잡았다. 하지만, 리튬이온 배터리의 액체 전해질은 인화성 물질로 화재나 폭발의 위험이 있다. 이 때문에 전 세계적으로 액체를 포함하지 않는 배터리 개발 경쟁이 치열하다. ‘꿈의 배터리’라고도 불리는 차세대 이차전지인 전고체 배터리는 전해질이 고체이기 때문에 안전성은 높으나 이온전도도가 낮아 효율성이 떨어지고, 비싼 가격 때문에 상용화까지는 시간이 꽤 걸릴 것으로 예상된다.

반고체 배터리란 배터리 내부에서 양극과 음극에 리튬이온을 전달하는 물질(전해질)이 흐름성이 없고 스스로 형태를 유지할 수 있는 겔 형태(반고체)인 배터리를 말한다. 액체와 고체 사이의 반고체 배터리는 상대적으로 안전하지만, 반고체 즉 겔 타입의 전해질을 만들기 위해서는 화학 물질이나 열처리가 필요한데 이들은 배터리 성능을 악화시킬 수 있다.

이에 배터리 성능을 유지하면서도 반고체 배터리를 생산할 수 있는 방법으로 전자빔을 이용하는 기술이 각광받고 있다. 전자빔은 방사선의 일종으로 물질의 구조와 성질을 변화시킬 수 있어 전자빔을 액체에 조사하면 액체가 반고체 형태로 변한다. 다만, 전자빔 이용 시 생산량 확대에 한계가 있고, 전자빔 설비의 높은 가격으로 경제성이 부족하다는 평가가 많았다.

연구팀은 전자빔 이용 기술의 경제성을 높이기 위해 대량 생산을 위한 공정 개발에 주목했다. 먼저 전자빔을 조사할 때 배터리 내부 재료들이 받는 영향을 각각 분석해 최적의 조사선량을 도출했다. 기존 상용화된 액체 전해질의 파우치형 배터리를 쌓아 올려 최적화된 선량만큼 전자빔을 조사해 한 번에 대량 생산이 가능한 ‘원팟(one-pot)’ 공정을 개발했다. 이 공정으로 기존 액체 전해질 배터리와 유사한 성능의 반고체 배터리를 한 번에 7개까지 생산할 수 있음을 실험을 통해 확인했다.

전자빔은 조사 시간이 수 분 이내로 짧아 컨베이어 벨트 방식으로 빠르게 대량 생산이 가능하다. 연구진은 향후 이번 기술을 고용량 배터리 생산에 확대 적용하고, 상용화를 위한 공정 최적화를 진행할 예정이다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 '화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)'(IF: 16.744)에 지난달 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr