전기차의 주행거리는 배터리의 에너지 밀도에 의해 결정되며, 이는 곧 배터리를 구성하는 하위 요소인 셀과 전극의 성능 개선으로 이어집니다. 특히 양극은 전지의 기본 단위로서 에너지를 저장하는 활물질과 전기의 흐름을 돕는 도전제, 그리고 이들을 고정하는 바인더로 구성됩니다. 활물질의 비중을 얼마나 높일 수 있느냐가 배터리 성능의 핵심인 만큼, 최근 재료연구원에서 선보인 새로운 도전제와 바인더 기술은 배터리 산업의 새로운 지평을 열고 있다는 평가를 받습니다.

기존에 주로 사용되던 카본블랙 도전제는 전도성 한계로 인해 상대적으로 많은 양을 첨가해야 했고, 이는 에너지를 담을 활물질의 공간을 줄이는 결과를 초래했습니다. 또한 PVDF와 같은 전통적인 바인더는 건조 과정에서 고분자가 표면으로 떠오르는 마이그레이션 현상을 일으켜 전극의 균일성을 해치곤 했습니다. 이러한 구조적 불안정성은 배터리 구동 시 접착력 약화와 성능 저하로 이어져, 고에너지 밀도를 지향하는 차세대 전지 개발의 주요한 걸림돌로 지목되어 왔습니다.

도전제 및 바인더 기술은 전극 내 에너지를 저장하는 활물질 비율을 높일 수 있는 핵심 기술로서, 차세대 유망 기술로 여겨지는 후막 전극 개발에 있어서도 가장 중요한 기술 요소입니다.

연구팀은 기존의 한계를 넘기 위해 카본블랙 대신 고전도성을 지닌 탄소나노튜브를 도입했습니다. 이를 통해 도전제 함량을 5분의 1 수준으로 줄이면서도 충분한 전도성을 확보해 활물질의 비율을 98%까지 극대화하는 데 성공했습니다. 동시에 개발된 S-바인더는 건조 과정에서 가교 반응을 일으켜 전극 내부에 매우 견고한 네트워크를 형성합니다. 이러한 혁신적 조합은 도전제와 활물질이 전극에서 이탈하는 현상을 방지하고, 전지의 구조적 안정성을 비약적으로 향상시켰습니다.

S-바인더의 탁월한 특성은 제조 공정에서도 빛을 발합니다. 높은 고형분 상태에서도 흐름성이 우수하여 전극 코팅 공정을 안정화하며, 건조 시 용매 기화에 따른 소재의 불균일한 분포를 억제합니다. 덕분에 전극 전체에 걸쳐 균일한 전기적·기계적 네트워크가 형성되어 전지의 출력과 수명을 크게 개선합니다. 특히 고용량 활물질을 사용할 때 발생하는 부피 팽창이나 전이금속 용출과 같은 고질적인 문제들을 효과적으로 완화하여 배터리의 신뢰성을 한 단계 더 높였습니다.

이번 기술은 차세대 배터리가 지향하는 후막 전극, 즉 두꺼운 전극을 구현하는 데 필수적인 기술적 실마리를 제공합니다. 두꺼운 전극을 안정적으로 제작하기 위해서는 고도의 소재 설계 능력이 필요한데, 탄소나노튜브와 S-바인더의 조합이 그 해답이 된 것입니다. 이미 국내외 다수의 특허와 논문을 통해 학술적, 산업적 가치를 증명한 이 기술은 전기차와 신재생 에너지 시대를 선도할 우리나라 이차전지 산업의 국제 경쟁력을 강화하는 데 매우 중추적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.