배터리 ‘리튬 교통체증’ 줄였다…고속방전 용량 166%↑

화학연, 건식 후막 양극 기술 개발

리튬이온 이동 에너지 56% 낮춰

한국화학연구원은 문산·석정돈 박사 연구팀이 흑연질화탄소(g-C3N4)를 양극 첨가제로 처음 적용한 건식 후막 양극 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. ⓒ한국화학연구원

고용량 배터리 개발에 활용할 수 있는 건식 전극 기술이 나왔다. 두꺼운 전극 내부에서 리튬이온 이동이 느려지는 문제를 개선해 고속 방전 성능을 크게 높였다.

한국화학연구원은 문산·석정돈 박사 연구팀이 흑연질화탄소(g-C3N4)를 양극 첨가제로 처음 적용한 건식 후막 양극 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

배터리 전극을 두껍게 만들면 같은 면적에 더 많은 활물질을 넣을 수 있어 에너지밀도를 높일 수 있다. 그러나 전극이 두꺼워질수록 내부에서 리튬이온 이동이 느려져 저장된 에너지를 충분히 활용하기 어렵다.

연구팀은 다공성 g-C3N4를 전극 속 ‘리튬이온 길잡이’로 활용했다. 첨가제 표면의 질소가 리튬이온을 일시적으로 붙잡았다가 놓아주면서 양극재로 이동하는 과정을 돕는 방식이다.

그 결과 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지는 49.8kJ/mol에서 22.1kJ/mol로 56% 감소했다. 다공성 구조는 전해액이 전극 내부에 고르게 스며들도록 도왔다.

g-C3N4를 0.5% 첨가한 약 68㎛ 두께 건식 전극은 3C 고속 방전에서 용량이 58.8mAh/g에서 156.2mAh/g으로 165.9% 늘었다. 출력밀도는 최대 2.85배 높아졌다.

파우치형 완전전지는 600회 충·방전 후 용량 유지율이 기존 72.9%에서 81.3%로 개선됐다.

다만 첨가제를 과도하게 넣으면 전기저항이 커지고 전극이 다시 부푸는 현상이 나타났다. 연구팀은 첨가량뿐 아니라 전극 내 배치와 기공 구조까지 함께 설계해야 한다고 설명했다.

건식 전극은 용매 건조·회수 공정이 필요 없어 제조비와 에너지 사용량을 줄일 가능성이 있다. 이번 연구에서는 실제 양산 수율과 제조원가 절감 효과는 측정하지 않았다.

연구 결과는 국제학술지 ‘Exploration’ 2026년 8월호 표지 논문으로 게재됐다.

문산 화학연 이차전지연구센터장은 “0.5% 수준의 적은 첨가제로 전해액 젖음성과 이온 이동을 동시에 개선했다는 데 의미가 있다”고 말했다.