집전체를 제거한 적층형의 신개념 이차전지를 개발한 ETRI 연구진. 김주영(왼쪽부터) 박사, 이윤호 위촉연구원, 최재철 박사.[ETRI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 이차전지의 에너지밀도를 약 20% 향상시킬 수 있는 셀 설계 기술을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)이 집전체를 제거한 새로운 이차전지 셀 설계 방안을 제시했다.

집전체 제거로 이차전지의 무게를 줄이고, 이를 통해 무게 대비 성능인 에너지밀도를 안정적으로 개선, 높이는 방식이다.

이차전지는 스마트폰, 전기자동차, 무인 항공기 등 일상생활과 산업 전반에서 활용되는, 12대 국가전략기술 중 하나로 손꼽힌다.

이차전지의 에너지밀도는 전지가 적용된 기기의 사용 시간과 설치 공간 등에 큰 영향을 미쳐, 이차전지의 성능을 평가하는 중요한 지표 중 하나다.

이에 따라, 이차전지의 에너지밀도를 개선하기 위해 소재 단위에서의 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 광물 매장지역의 불균일성, 특정 원소의 희소성, 자원 수급 상황에 따른 가격 변동 등의 요인이 큰 장애물이었다.

이러한 문제 해결을 위해 ETRI 연구진은 소재 의존성을 줄이는 동시에 에너지밀도를 개선하는 방안을 제시했다.

신개념 이차전지 설계가 적용된 시제품. 고분자 바인더(왼쪽부터), 분리막상 도포된 전극, 분리막.[ETRI 제공]

이차전지에서 집전체를 완전히 배제하는 새로운 설계 방식을 고안하고 이를 검증한 것이다.

집전체는 이차전지가 충·방전될 때 음극과 양극에서 전기적 반응이 일어날 수 있도록 돕는 역할을 한다.

그러나 집전체의 높은 밀도는 전지의 무게를 증가시키는 원인이 되기도 했다.

ETRI 연구진은 집전체 없이 분리막 위에 전극을 직접 도포하는 혁신적인 전극 설계 방안을 제시했다.

또한 친환경적이고 가격경쟁력이 우수한 수계 공정을 적용, 이 설계의 적용 가능성을 한층 더 높였다.

새롭게 제시된 전극 구조는 기존과 달리 전해질이 원활하게 통과할 수 있어, 신규 전극을 다층으로 적층한 새로운 형태의 전지 설계가 가능해졌다.

이를 통해 기존 이차전지 대비 에너지밀도가 약 20% 개선될 수 있음을 확인했다.

김주영 ETRI 선임연구원은 “이차전지의 에너지밀도 개선에 활용될 수 있는 일종의 전지 플랫폼을 개발하고자 노력한 결과물”이라며 “특히 이번 연구는 ETRI 신진연구자의 지원·발굴을 위한 차세대주역 신진연구사업을 통해 이뤄져 더욱 의미가 있다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 10월 22일 게재됐다.