김동재 순천향대 교수팀, 배터리 전극 제조 공정 보완 '눈길'

김동재 순천향대 나노화학공학과 교수./사진제공=순천향대

순천향대학교는 최근 김동재 나노화학공학과 교수 연구팀이 배터리 전극 대량 생산에서 발생하는 '가장자리 돌출 결함'(Heavy Edge)을 극복하기 위한 실마리를 찾았다고 23일 밝혔다.

배터리 전극 대량 생산에 주로 사용되는 코팅 공정에서는 다양한 결함이 발생할 수 있다. '가장자리 돌출' 현상은 제조된 전극의 두께가 중앙보다 측면이 두껍게 형성되는 결함을 뜻한다. 이는 후처리 공정에서 응력 불균형으로 인한 전극의 주름(electrode corrugation)을 야기하며, 불량품 생산으로 이어진다. 하지만 아직까지 가장자리 돌출이 발생하는 정확한 원인을 파악하지 못했다.


김 교수팀은 남재욱·이규태 서울대 화학생물공학부 교수팀과 함께 상업적 대량 생산 조건에 해당하는 다양한 공정 매개 변수를 적용, 실험실용 블레이드 코팅으로 배터리 전극을 만들었다. 이후 유변학적, 통계학적, 전기화학적으로 분석했다.

그 결과 코팅 간격이 가장자리 돌출 결함의 정도에 가장 중요한 영향을 미친다는 것을 확인했다. 또 응력-변형 모델링을 통해 가장자리 돌출 형상과 공정 조건 간 상관관계를 도출했다.

김 교수는 "전극 제조 공정의 중요성은 많은 연구자가 인지하고 있지만 그 시스템은 지나치게 복잡하다. 현재 산업계에서는 시행착오에 기반한 공정을 설계하는 실정"이라며 "가장자리 돌출 결함을 줄일 수 있는 최적의 공정 조업 조건을 확보하기 위한 후속 연구를 이어가겠다. 성공한다면 배터리 제조 공정의 최적화는 물론 제품 품질 관리에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 설명했다.


한편 이번 연구 결과는 '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)이라는 제목으로 전기화학 분야 국제학술지 4위인 'Journal of Power Sources'(IF=9.2, JCR 상위 11.7%)에 게재됐다.

김동재 순천향대 나노화학공학과 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=순천향대