순천향대(총장 김승우) 나노화학공학과 김동재 교수는 배터리 전극 대량 생산에서 발생하는 가장자리 돌출 결함을 극복해 배터리 전극 제조 공정 효율화를 위한 연구에 박차를 가했다고 23일 밝혔다.

*가장자리 돌출 결함 (Heavy Edge) : 코팅 공정을 통해 만들어진 전극의 두께가 일정하지 않고, 측면의 두께가 증가하는 현상.

최근 리튬이온 배터리가 핵심 구성 요소로 사용되는 제품의 시장 규모 증가로, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등의 제품 수요가 급격히 증가하고 있고, 이러한 수요의 증가로 고품질, 고성능의 배터리를 효과적으로 제조하는 공정의 중요성이 대두되고 있다.

배터리 전극 대량 생산에 주로 사용되는 코팅 공정에서 다양한 코팅 결함이 발생할 수 있는데, 그 중 ‘가장자리 돌출’이라고 불리는 현상은 제조된 전극의 두께가 중앙보다 측면이 두껍게 형성되는 코팅 결함을 뜻한다. 해당 결함은 후처리 공정에도 응력 불균형으로 인한 전극의 주름(electrode corrugation)을 야기하여 제품 불량으로 이어질 수 있어, 이러한 결함을 완화하는 것은 매우 중요한 과제이나, 현재까지는 정확한 요인이나 원인을 파악하지 못하고 있는 실정이다.

김 교수 연구팀은 가장자리 돌출 현상을 이해하고 개선 전략을 제안하기 위해 서울대 화학생물공학부 남재욱 교수, 이규태 교수 연구팀과 함께 상업적 대량 생산 조건에 해당하는 다양한 공정 매개 변수를 사용해 실험실용 블레이드 코팅으로 배터리 전극을 만들고, 유변학적, 통계학적, 전기화학적 분석을 수행했다.

*블레이드 코팅 : 얇은 판과 칼날(Blade) 사이 코팅 물질을 두고, 기판을 일정 속도로 움직여 물질을 균일하게 코팅하는 기술.

이에 따라 통계학과 머신러닝 해석을 기반으로 코팅 간격 (Coating gap)이 가장자리 돌출 결함의 정도에 가장 중요한 영향을 미친다는 것을 확인했다. 또한 응력-변형 모델링을 통해 가장자리 돌출 형상과 공정 조건 간의 상관관계를 도출해 낼 수 있었다.

공동 주저자인 김동재 교수는 “전극 제조 공정의 중요성은 많은 연구자가 인지하고 있으나 그 시스템의 복잡성으로 인해, 현재 산업계에서는 여러 상황에서 얻은 시행착오에 따른 경험에 기반한 공정설계가 진행되고 있다”라며 “이번 연구를 심도 있게 진행하면 가장자리 돌출 결함을 감소시킬 수 있는 최적의 공정 조업 조건을 확보할 수 있을 것이며, 이는 배터리 제조 공정의 최적화 및 제품의 품질 관리에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

연구 결과는 최근 ‘블레이드 코팅 공정을 사용한 배터리 전극의 가장자리 돌출 감소 분석(Analysis of side heavy edge reduction of battery electrode using high speed blade coating process)’ 라는 제목으로 국제학술지 Journal of Power Sources (IF: 9.2, Electrochemistry 분야 30개 저널 중 4위 상위 11.7%, 2022 JCR 기준) 4월호에 게재됐다.