국내 연구진이 저렴하지만 주행거리가 짧다는 한계를 지닌 LFP 배터리의 용량 문제를 해결할 실마리를 찾아냈다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 강석주 교수팀이 숙명여자대학교 주세훈 교수, 광주과학기술원 이은지 교수팀과 손잡고 활성 물질 함량 99%짜리 LFP 배터리 양극 개발에 성공했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 학술지 '에너지 저장 물질(Energy Storage Materials, IF 20.2)'에 지난달 14일 온라인 게재됐다.

LFP 배터리는 안전성과 가격 면에서 강점을 지니지만 전기를 저장하는 활물질의 전기 전도도가 낮다는 구조적 문제가 있다. 이를 보완하려면 전기 흐름을 돕는 도전재와 전극 구성 물질을 고정하는 바인더를 다량 투입해야 하는데, 이 과정에서 활물질 비율이 낮아져 배터리 용량이 줄어드는 악순환이 반복됐다.

연구팀이 주목한 것은 도전재와 바인더 기능을 동시에 수행하는 소재 조합이었다. 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 폴리에틸렌글리콜과 탄소나노튜브(SWCNT)를 더한 기능성 바인더를 설계한 결과, 비활성 물질 함량을 1% 수준까지 낮추는 데 성공했다. 도전재 사용량은 상용 LFP 전극 대비 90% 이상 줄었다.

성능도 검증됐다. 7.5분 내에 전체 용량을 소진하는 8C 고속 방전 조건에서 132mAh/g을 기록했고, 상용 흑연 음극과 결합 시에도 125mAh/g을 유지했다. 섭씨 60도 고온 환경에서의 안정성도 확인됐으며 단위 면적당 용량은 3.5mAh 이상으로 전기차 배터리에 적합한 수준을 달성했다.

제조 공정 측면의 의미도 작지 않다. 기존에 쓰이던 불소계 바인더는 독성 유기용매 사용이 불가피해 고가의 회수 설비가 필요했고, 최근에는 전 세계적인 환경 규제 강화로 퇴출 압박까지 받고 있다. 이번에 개발된 전극은 이 같은 문제를 우회할 수 있어 제조 원가 절감 효과도 기대된다.

강석주 교수는 "활물질 비중을 높여 LFP 배터리의 용량 한계를 극복했을 뿐 아니라, 친환경 공정 전환 측면에서도 제조 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단(NRF), UNIST, 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원으로 수행됐다.