쉽게 갈라지는 리튬인산철(LFP) 건식 전극… 해법은 ‘탄소 형상’
△ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 이영훈 박사후연구원(공동 제1저자), 유승호 교수(공동 교신저자), 서울대 화학생물공학부 김현우 석사과정(공동 제1저자), 박은빈 석박사통합과정(공동 제1저자), 성영은 교수(공동 교신저자)
쉽게 갈라지는 리튬인산철(LFP) 전극의 해법을 찾았다. 고려대학교(총장서리 정순영) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 서울대 화학생물공학부 성영은 교수 연구팀과 함께 LFP 건식 전극에서 탄소의 형상이 전극 구조와 충·방전 성능에 미치는 영향을 규명했다.
LFP는 가격이 저렴하고 수명이 길며 열적 안정성이 높아 전기차와 에너지저장장치에 널리 쓰이는 배터리 양극 소재다. 최근 LFP 전극 제조 과정에서는 용매를 쓰지 않아 건조와 용매 회수에 필요한 에너지와 설비 부담을 줄일 수 있는 건식 공정이 주목받고 있다.
그러나 LFP는 입자가 작고 단단해 전극 제조 과정에서 결합제(바인더)인 ‘PTFE’가 입자들을 연결하는 섬유망을 충분히 형성하기 어렵다. 이에 전극이 쉽게 갈라지면서, 에너지를 저장하는 활물질을 많이 담은 ‘고로딩 전극’을 안정적으로 제조하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 전극 내부에서 전자가 원활하게 이동하도록 돕는 ‘도전성 탄소’에 주목했다. 탄소 입자의 모양이 구형인 ‘Super P’와 섬유형인 ‘VGCF’를 비교한 결과, 구형 탄소는 LFP 입자 사이에 불균일하게 분포해 전극 표면에 미세 균열이 발생했다. 반면 섬유형 탄소는 PTFE 섬유망을 지지해 전극의 구조적 안정성을 높이는 동시에 전자가 이동하는 경로(전도성 네트워크)를 효과적으로 형성했다.
△ LFP 건식전극 내 탄소 형상에 따른 PTFE 섬유망 형성과 기계적 안정성·공정 적합성을 나타낸 모식도
LFP 전극에 섬유형 탄소인 VGCF를 사용한 전극은 구형 탄소인 Super P를 적용한 전극보다 PTFE 섬유가닥이 약 59% 많았으며, 굽힘 시험에서도 부러지거나 균열이 생기지 않고 휘어지며 유연한 특성을 보였다. 또한 전극 가장자리가 부서지는 정도도 약 86% 줄었다.
충·방전 성능에서도 차이가 나타났다. 35 mg cm⁻²의 고로딩 조건에서 VGCF 전극은 Super P 전극보다 고속 방전(2.0C 조건) 시 용량이 69.7% 높았다. 또한 100회 충·방전(1.0C) 후 초기 용량의 76.4%를 유지해 Super P 전극(58.5%)보다 높은 안정성을 보였다. 흑연 음극과 결합한 완전지에서도 100회 충·방전(0.5C) 후 면적당 용량이 14.5% 높게 나타났다. 또한 쿨롱 효율의 변동 폭도 작아 안정적인 충·방전 특성을 보였다. *C율: 배터리 충·방전 속도를 나타내는 지표로, 1C는 기준 용량을 약 1시간, 2.0C는 약 30분, 0.5C는 약 2시간에 충·방전하는 전류 조건을 뜻함*쿨롱 효율: 배터리 충전 시 넣은 전하량 대비 방전할 때 다시 사용할 수 있는 전하량의 비율
연구팀은 탄소의 모양뿐 아니라 굵기와 함량도 전극의 성능을 좌우한다는 사실을 확인했다. 굵은 탄소섬유는 LFP 입자 배열을 흐트러뜨렸고, VGCF의 함량이 부족하면 균열과 성능 저하가 발생했다. 이번 연구는 건식 LFP 전극을 설계할 때 탄소의 형상과 치수, 함량을 함께 고려해야 한다는 핵심 기준을 제시했다.
유승호 교수는 “탄소의 형상과 치수에 따른 PTFE 섬유망 및 전도성 네트워크 형성의 차이를 규명한 이번 연구는 건식 전극의 기계적 안정성과 전기화학적 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 설계 방향을 제시했다”며 “향후 고로딩 건식 전극의 구조적 한계를 극복하고 안정적인 전극 제조 공정을 구현하는 데 중요한 기반이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
본 연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’ 온라인에 10월 26일 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 원천기술국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구) 및 개인기초연구 지원을 받아 수행됐다.
*논문명: Carbon morphology-dependent design of fracture-resistant LiFePO4 dry-processed electrodes*DOI: 10.1016/j.cej.2026.183555
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