두꺼운 전극 리튬이온 병목 해결…고용량 배터리 나온다 [지금은 과학]

정종오 기자 입력 2026.09.21 12:00 화학연 연구팀, 고에너지 배터리 제조공정 상용화 기대 이가람 학생연구원이 전극 분말 반죽과 집전체를 롤러로 밀어 접착시키는 작업을 하고 있다. [사진=화학연][아이뉴스24 정종오 기자] 한 번 충전해 더 오래 사용하는 배터리를 만들려면 같은 크기와 무게에 더 많은 에너지를 저장해야 한다. 전기자동차가 빠르게 확산하고, 에너지저장장치(ESS)가 확대되고 있는 지금 배터리 효율성은 그 어느 때보다 중요한 시점이다.한국화학연구원(원장 신석민) 문산·석정돈 박사팀은 흑연 질화 탄소(graphitic carbon nitride, g-C3N4)를 양극 첨가제로 처음 적용해 전해액이 전극 안으로 잘 스며들게 하고 리튬이온이 양극재로 이동하는 데 필요한 에너지를 낮추는 건식 후막 양극 기술을 개발했다.배터리 전극을 두껍게 만들면 같은 면적에서 집전체·분리막 부품은 덜 사용하고 활물질(전기 저장 물질) 양은 늘릴 수 있어 고 에너지밀도, 장거리 주행용 고용량 배터리 제작에 유리하다. 두꺼워질수록 전극 윗부분만 사용되고 전극 안쪽의 리튬이온 이동이 느려지는 일종의 ‘리튬 교통체증’이 발생해 저장된 에너지를 충분히 활용하기 어려웠다.화학연 연구팀이 건식 후막 전극 공정 기술을 개발했다. [사진=화학연]지금은 양극재와 바인더 등을 용매에 섞어 바른 뒤 말리는 습식 전극 공정이 널리 쓰인다. 이 방식은 전극이 두꺼워질수록 건조 과정에서 바인더가 위쪽으로 이동해 내부 조성이 불균일해질 수 있다. 건식 공정은 용매와 건조 단계를 없애 이러한 문제를 줄일 수 있는데 전극이 두꺼워질수록 커지는 리튬이온 이동 저항까지 해결하지는 못했다.연구팀은 다공성 흑연질화탄소(g-C3N4) 첨가제를 전극 속 ‘리튬이온 길잡이’로 활용했다. g-C3N4 첨가제 표면의 질소는 지나가는 리튬이온을 잠시 붙잡았다가 놓아주는 ‘리튬-질소(Li-N) 결합’을 만든다. 두꺼운 건물 안에 중간 환승거점을 배치하는 것처럼 리튬이온이 전해액이라는 ‘외투’를 벗고 양극재로 들어가는 과정을 돕는다.그 결과 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지가 49.8에서 22.1 kJ/mol로 56% 감소했다. 동시에 다공성 구조가 전해액 젖음성을 높여 전극 내부에서 리튬이온이 더 고르게 분포하도록 했다.첨가제를 0.5% 넣은 약 68㎛ 두께의 건식 전극은 3C 고속 방전에서 용량이 58.8→156.2 mAh/g으로 165.9% 증가했다. 출력...