전기차 시장의 핵심 경쟁력은 한 번의 충전으로 얼마나 멀리 갈 수 있는지를 결정하는 주행 거리에 달려 있습니다. 주행 거리를 늘리기 위해서는 배터리 팩의 에너지 밀도를 극대화해야 하며, 이는 다시 모듈과 셀, 그리고 전극의 에너지 밀도 향상으로 이어집니다. 특히 전극은 에너지를 저장하는 활물질과 이를 돕는 도전재, 바인더 등으로 구성되는데, 최근에는 이들 소재 기술을 통해 활물질의 비중을 높이는 후막 전극 기술이 차세대 배터리의 핵심으로 주목받고 있습니다.

기존 배터리 전극 제조에는 주로 카본 블랙이 도전재로, PVDF가 바인더로 사용되어 왔습니다. 하지만 카본 블랙은 전도성 한계 때문에 전극 내에 상당한 양을 채워야 하므로 정작 에너지를 저장할 활물질의 공간이 줄어드는 단점이 있습니다. 또한, 기존 바인더인 PVDF는 배터리 구동 시 접착력이 약해지거나 건조 과정에서 불균일하게 분포되는 마이그레이션 현상이 발생하여 전극의 구조적 안정성을 해치고 성능 저하를 일으키는 원인이 되기도 합니다.

탄소나노튜브와 S-바인더를 활용하여 에너지 밀도 향상은 물론 배터리의 출력 및 내구성 향상, 제조 공정의 효율 증대까지 실현한 혁신적인 기술이 주목받고 있습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 기존 카본 블랙 대신 탄소나노튜브를 도입하는 혁신적인 시도가 이루어졌습니다. 탄소나노튜브는 표면적이 넓고 전도성이 매우 뛰어나기 때문에, 기존 도전재 함량의 5분의 1만 사용하고도 충분한 전기적 흐름을 확보할 수 있습니다. 이를 통해 절약된 공간만큼 활물질을 더 많이 채워 넣을 수 있게 되어, 배터리의 전체적인 에너지 밀도를 획기적으로 높이는 발판을 마련하게 되었습니다. 이는 고용량 배터리 구현을 위한 필수적인 변화입니다.

새롭게 개발된 S-바인더는 초기에는 분자량이 작아 흐름성이 우수하지만, 건조 과정에서 가교 반응을 일으켜 구조가 확장되는 독특한 성질을 지니고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 슬러리 상태에서는 가공이 용이하면서도, 최종적으로는 강력한 전극 구조물을 형성하게 됩니다. 특히 S-바인더는 젖은 상태에서의 접착력인 웨트 스트렝스가 매우 강해, 충·방전 과정에서 활물질이나 도전재가 전극에서 이탈하는 현상을 효과적으로 방지하고 전극의 구조를 안정적으로 유지합니다.

탄소나노튜브와 S-바인더의 조합은 전극 내 활물질 비율을 무려 98% 수준까지 끌어올리는 성과를 거두었습니다. 이는 단순히 에너지 용량을 늘리는 것에 그치지 않고, 전지의 출력과 수명, 안정성까지 동시에 개선하는 결과로 이어집니다. 고용량 활물질에서 흔히 발생하는 부피 팽창이나 금속 용출 문제까지 완화함으로써, 차세대 고에너지 밀도 배터리 상용화를 앞당길 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 점에서 학계와 산업계의 큰 기대를 모으고 있습니다.