한국전자통신연구원(ETRI)이 이차전지의 에너지밀도를 약 20% 향상할 수 있는 셀 설계 기술을 개발하며, 고에너지밀도의 이차전지를 구현하는데 크게 기여할 전망이다.

ETRI는 집전체를 제거한 새로운 이차전지 셀 설계 방안을 제시하고, 지난 10월22일 에너지 소재 분야의 최상위 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머트리얼’ 온라인에 게재돼 기술의 우수성을 입증받았다고 12일 밝혔다.

집전체는 이차전지가 충·방전될 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다.

반면에 집전체의 높은 밀도는 전지의 무게를 증가시키는 원인이 되기도 했다.

이에 따라 산업계에서는 집전체의 두께를 최소화하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

ETRI 연구진은 집전체 없이 분리막 위에 전극을 직접 도포하는 혁신적인 전극 설계 방안을 제시했다.

또한 친환경적이고 가격경쟁력이 우수한 수계 공정을 적용하여, 이 설계의 적용 가능성을 한층 더 높였다.

더 나아가 물에 대한 젖음성(Wettability)이 낮은 분리막 위에 전극을 균일하게 도포하기 위해 수계 공정에서 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 고분자 바인더를 활용했다.

연구진은 고려대학교와의 공동연구를 통해 이 고분자가 계면 안정성을 높일 수 있음을 이론적으로 검증했다.

또한 새롭게 제시된 전극 구조는 기존과 달리 전해질이 원활하게 통과할 수 있어, 신규 전극을 다층으로 적층한 새로운 형태의 전지 설계가 가능해졌다.

연구진은 이를 통해 기존 이차전지 대비 에너지밀도가 약 20% 개선될 수 있음을 확인했다.

이와 함께 새로 개발된 전극 설계는 분리막의 안전성을 개선하고 전극의 재활용 가능성을 높이며, 전극 내 전기화학 반응 분석을 용이하게 하는 등의 장점도 확인됐다.

연구책임자인 ETRI 김주영 선임연구원은 “이차전지의 에너지밀도 개선에 활용될 수 있는 일종의 전지 플랫폼을 개발하고자 노력한 결과물이다. 특히 이번 연구는 ETRI 신진연구자의 지원·발굴을 위한 차세대주역 신진연구사업을 통해 이뤄져 더욱 의미가 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 ETRI 차세대주역 신진연구사업을 바탕으로 과기정통부의 단계도약형 탄소중립기술개발사업과 글로벌 TOP 전략연구단의 지원으로 수행됐다.

ETRI 주관으로 고려대학교 김용주 교수 연구팀, 연세대학교 이용민 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 진행됐다.

논문 1저자는 ETRI 김주영 선임연구원과 고려대학교 서민영 연구원이다.