▲ 박진규 박사후연구원이 파우치 셀 배터리 제작을위해 전극과 단자를 결합하는장비를 가동하고 있다.

국내 연구진이 두꺼운 전극 내부에서 발생하는 리튬이온 이동 병목을 흑연질화탄소(g-C3N4) 첨가제로 개선하면서 고에너지밀도 배터리용 건식 후막전극 기술의 상용화 가능성을 높였다.

한국화학연구원(원장 신석민)은 문산·석정돈 박사 연구팀이 흑연질화탄소(graphitic carbon nitride, g-C3N4)를 양극 첨가제로 적용해 전해액의 전극 내부 침투와 리튬이온 이동을 개선하는 건식 후막양극 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구에는 서울대학교, 연세대학교 및 Thermo Fisher Scientific Korea 등이 참여했다.

배터리 전극을 두껍게 만들면 같은 면적에서 집전체와 분리막 사용량을 줄이면서 활물질을 더 많이 담을 수 있어 에너지밀도를 높이는 데 유리하다. 하지만 전극이 두꺼워질수록 내부로 이동해야 하는 리튬이온의 이동저항이 커져 전극 안쪽의 활물질이 충분히 활용되지 못하는 문제가 발생한다.

현재 널리 사용되는 습식 전극 공정은 양극재와 바인더 등을 용매에 섞어 전극을 제조한 뒤 건조하는 방식이다. 전극이 두꺼워질 경우 건조 과정에서 바인더가 위쪽으로 이동해 전극 내부 조성이 불균일해질 수 있다.

건식 전극 공정은 용매와 건조 단계를 없앨 수 있지만, 전극 두께 증가에 따른 리튬이온 이동저항 문제는 별도로 해결해야 했다. 연구팀은 다공성 g-C3N4를 전극 내부의 ‘리튬이온 길잡이’로 활용했다. g-C3N4 표면의 질소가 리튬이온과 일시적으로 결합하는 리튬-질소(Li-N) 결합을 형성해 리튬이온이 양극재로 이동하는 데 필요한 에너지를 낮추는 방식이다.

연구 결과 g-C3N4 첨가로 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지가 기존 49.8kJ/mol에서 22.1kJ/mol로 56% 감소했다. 다공성 구조를 통해 전해액 젖음성도 높아지면서 전극 내부에서 리튬이온이 보다 균일하게 분포하는 효과가 확인됐다.

특히 약 68㎛ 두께의 건식 전극에 g-C3N4를 0.5% 첨가한 경우 3C 고속 방전에서 용량이 58.8mAh/g에서 156.2mAh/g으로 165.9% 증가했다. 출력밀도는 최대 2.85배 높아졌으며, 파우치형 완전전지에서는 600회 충·방전 후 용량 유지율이 기존 72.9%에서 81.3%로 개선됐다.

연구팀은 g-C3N4를 많이 첨가한다고 성능이 계속 향상되는 것은 아니라고 설명했다. g-C3N4는 전기전도성이 낮아 과량 첨가하면 전기저항이 증가하고, 압착된 전극이 시간이 지나면서 다시 부푸는 ‘스프링백’ 현상으로 내부 이온 이동경로가 복잡해질 수 있기 때문이다.

이에 따라 연구팀은 첨가제의 양뿐만 아니라 전극 내 배치 위치와 기공 구조까지 함께 설계해야 후막전극의 이온 이동 특성을 최적화할 수 있다는 점을 규명했다.

이번 기술은 용매의 건조·회수 공정을 필요로 하지 않는 건식 전극 공정에 적용할 수 있어 제조비와 에너지 사용량, 생산공간을 줄일 가능성이 있다. 다만 이번 연구에서는 실제 양산 수율이나 제조원가 절감률을 직접 측정하지 않았다.

문산 화학연 이차전지연구센터장은 “0.5% 수준의 적은 첨가제로 전해액 젖음성과 이온이동을 동시에 개선하고, 첨가제의 양뿐 아니라 배치 위치와 전극 구조까지 최적화했다는 데 의미가 있다”고 밝혔다.

신석민 화학연 원장은 “간단하고 경제적인 첨가제 공정방식을 대형 전지에서도 구현하고 실제 생산수율을 검증한다면, 전기차 및 ESS, 로봇 분야 등 다양한 산업계에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘Exploration(IF 30.4)’에 2026년 8월 표지 논문으로 게재됐다. 연구는 한국화학연구원 기본사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업, 산업통상자원부 기술혁신사업, 국가과학기술연구회(NST) 글로벌탑 전략연구단 사업의 지원을 받아 수행됐다.