가천대학교는 최정현 화공생명배터리공학부 교수 연구팀이 리튬이온전지의 에너지밀도를 높일 수 있는 '후막 건식 음극 사전리튬화(prelithiation)' 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
이 연구의 핵심은 건식 전극 제조와 사전리튬화를 통합한 원스텝(one-step) 공정 전략이다. 추가 공정 없이 초기 리튬 손실을 보상함으로써 초기 충방전 효율(ICE)과 셀 에너지밀도를 동시에 개선했다.
리튬이온전지 음극은 초기 충전 과정에서 전해질 분해 등 부반응으로 가역 리튬이 소모되고, 이로 인해 ICE 저하와 에너지밀도 감소가 발생한다. 기존 사전리튬화 기술은 별도의 공정이 필요하고 연속식 생산라인에 적용하기 어려워 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 건식 공정 기반의 고에너지밀도 후막 음극을 리튬 메탈이 코팅된 동박(Li/Cu) 집전체에 직접 접합하는 방식을 적용했다. 기존 건식 전극에서 사용하던 접착층(프라이머 코팅)을 제거하는 동시에 비가역 반응을 보상할 추가 리튬을 공급하는 구조로 설계해 별도 습식 공정이나 복잡한 후처리 없이 구현 가능하도록 했다.
성능 평가 결과, 해당 공정을 적용한 음극은 기존 건식 전극 대비 전기저항이 감소했고, 고체전해질계면(SEI)이 균일하게 형성됐다. 실리콘/흑연(Si/G) 음극과 니켈-리치(Ni-rich) 양극을 적용한 풀셀 시험에서는 기존 대비 20% 이상 향상된 에너지밀도와 안정적인 사이클 특성을 확인했다. 공정은 연속식 롤투롤(roll-to-roll) 제조 방식과 호환성이 높아 대면적 전극 생산에 적용 가능하며, 공정 단순화에 따른 제조 효율 개선 효과도 기대된다.
이번 연구는 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수, 중앙대학교 문장혁 교수 연구팀과 공동으로 수행됐다.
최정현 교수는 “건식 공정의 장점을 유지하면서도 음극의 초기 효율 저하 문제를 개선했다”며 “에너지밀도 향상과 함께 제조 비용 절감에도 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 'Energy & Environmental Science(Impact Factor 31.0)'에 지난달 21일 온라인 게재됐다.
성남=김동성 기자 estar@etnews.com
