 ▲ 한국기계연구원 롤투롤 호환 플래시 공정 기술 관련 연구팀 (C) 한국기계연구원 제공 |
세계 최초로 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정과 호환되는 플래시(Flash) 활성화 기술이 개발되면서 이차전지의 성능 저하 문제를 혁신적으로 해결할 수 있는 길이 열렸다.
이 기술은 배터리의 에너지 밀도와 용량을 향상시키면서도 크기와 무게를 줄이고 제조 비용까지 절감할 수 있는 획기적인 가능성을 제시한다.
한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 이차전지장비연구실 우규희, 권신 책임연구원 연구팀은 초고속·대면적 플래시 공정을 활용해 후막 전극의 열화를 억제하는 전극 활성화 기술을 개발했다. 또한, 파일럿 스케일의 롤투롤 테스트 베드를 통해 롤투롤 공정과의 높은 호환성을 성공적으로 입증했다.
후막 전극은 고에너지 밀도를 구현하여 배터리 팩의 층수를 줄이고 구조를 단순화하는 데 기여하며, 제조 공정을 효율화해 원가 절감 효과를 기대할 수 있다. 그러나 전극이 두꺼워질수록 리튬 이온과 전자의 이동 저항이 증가하고, 전해질 침투가 어려워져 충·방전 속도를 나타내는 율속특성(Rate Capability)*과 수명 등의 전기화학적 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 기계연 연구팀은 후막 전극에 1밀리초 이내의 순간적인 플래시를 조사하는 방식을 적용했다. 플래시 과정에서 발생하는 광열 반응(Photothermal Reaction)**은 ▲활물질(흑연)의 층간 간격 확장, ▲기공률 증가, ▲전해질과의 계면적 확대, ▲재료의 탄화 현상 억제 등과 같은 변화를 즉각적으로 일으킨다.
이러한 화학적, 구조적 변화는 리튬 이온과 전자의 이동성을 개선하고 전해질 침투성을 높여 후막 전극의 성능 열화를 효과적으로 억제하는 원리다.
나아가 표면 광열 반응을 이용하기 때문에 집전체를 포함한 전극 전체가 고온에 노출되는 것을 방지하여 바인더 분해를 최소화하고, 전극의 기계적 내구성을 유지하는 데 유리하다.
이 기술은 롤투롤 공정과 호환성이 높아 기존 이차전지 제조 공정에 쉽게 적용할 수 있다. 특히 니켈-코발트-망간(NCM) 양극 등 다양한 전극에도 확장 적용이 가능해 상용화 가능성이 크다.
연구팀은 플래시 공정을 전극 건조 공정에도 적용해 응용성 평가를 수행하고 있으며, 그 결과 전극 건조에 소요되는 에너지와 공정 시간을 획기적으로 단축하면서도 전극 활성화 효과까지 유도할 수 있음을 확인했다. 현재는 이차전지 장비 기업과 협력해 양산 수준의 설비를 개발하고, 공정 평가를 진행 중이다.
기계연 우규희 책임연구원은 “플래시를 이용한 전극 활성화 기술은 롤투롤 공정과 호환이 가능한 후처리 기술이기 때문에 기존의 공정과 제조 설비에 접목이 상대적으로 용이하다”며 “국내 이차전지 제조사 진입을 목표로 기술 완성도를 높이고 시험 평가와 검증을 지속적으로 진행해 나갈 예정”이라고 밝혔다.
한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌탑전략연구단(시장선도형 차세대 이차전지 혁신전략연구단) 사업 및 산업통상자원부 탄소저감형 중대형 이차전지 혁신 제조 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 국제 학술지 Small Methods(IF: 10.7) 2025년 2월호 표지 논문으로 선정되었다.
*율속 특성(Rate Capability): 배터리의 충·방전 속도를 나타내는 성능지표
**광열 반응 (photothermal reaction) : 광에너지가 열에너지로 전환되는 반응
*아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다. '구글번역'은 이해도를 높이기를 위해 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*The following is [the full text] of the English article translated by 'Google Translate'. 'Google Translate' is working hard to improve understanding. It is assumed that there may be errors in the English translation.>
The development of the world's first flash activation technology compatible with the roll-to-roll process has opened the way to an innovative solution to the problem of secondary battery performance degradation.
This technology presents a groundbreaking possibility of improving the energy density and capacity of batteries while reducing their size and weight and even reducing manufacturing costs.
The research team of Woo Kyu-hee and Kwon Shin, Senior Researchers at the Secondary Battery Equipment Laboratory of the Korea Institute of Machinery and Materials (President Ryu Seok-hyun, hereinafter referred to as KIMM), has developed an electrode activation technology that suppresses the deterioration of thick-film electrodes using an ultra-high-speed, large-area flash process. In addition, they successfully demonstrated high compatibility with the roll-to-roll process through a pilot-scale roll-to-roll test bed.
Thick-film electrodes achieve high energy density, contributing to reducing the number of layers in battery packs and simplifying their structures, and are expected to have cost-saving effects by improving the efficiency of the manufacturing process. However, as the electrode becomes thicker, the resistance to the movement of lithium ions and electrons increases, and the electrolyte penetration becomes difficult, which causes the electrochemical performance such as the rate capability* and lifespan to deteriorate.
To solve this, the research team at the Korea Institute of Machinery and Materials applied a method of irradiating the thick film electrode with a flash for less than 1 millisecond. The photothermal reaction** that occurs during the flash process immediately causes changes such as ▲ expansion of the interlayer spacing of the active material (graphite), ▲ increase in porosity, ▲ expansion of the interfacial area with the electrolyte, and ▲ suppression of the carbonization phenomenon of the material.
These chemical and structural changes are the principle of improving the mobility of lithium ions and electrons and increasing the electrolyte penetration, effectively suppressing the performance deterioration of the thick film electrode.
Furthermore, since it utilizes the surface photothermal reaction, it prevents the entire electrode, including the current collector, from being exposed to high temperatures, minimizing binder decomposition and maintaining the mechanical durability of the electrode.
This technology is highly compatible with the roll-to-roll process, so it can be easily applied to the existing secondary battery manufacturing process. In particular, it is highly likely to be commercialized as it can be expanded to various electrodes such as nickel-cobalt-manganese (NCM) anodes.
The research team is conducting an applicability evaluation by applying the flash process to the electrode drying process, and as a result, it was confirmed that it can induce an electrode activation effect while drastically reducing the energy and process time required for electrode drying. Currently, it is developing mass production-level equipment in cooperation with a secondary battery equipment company and conducting a process evaluation.
Woo Gyu-hee, a senior researcher at the Korea Institute of Machinery and Materials, said, “The electrode activation technology using flash is a post-processing technology that is compatible with the roll-to-roll process, so it is relatively easy to graft onto existing processes and manufacturing equipment.” He added, “We plan to continuously improve the technology’s perfection and conduct testing, evaluation, and verification with the goal of entering the domestic secondary battery manufacturing industry.”
Meanwhile, this study was conducted with the support of the Ministry of Science and ICT's Global Top Strategy Research Group (Market-leading Next-generation Secondary Battery Innovation Strategy Research Group) project and the Ministry of Trade, Industry and Energy's Carbon-reducing Medium and Large-sized Secondary Battery Innovation Manufacturing Technology Development Project, and was selected as the cover paper of the February 2025 issue of the international academic journal Small Methods (IF: 10.7) in recognition of its research excellence.
*Rate Capability: Performance indicator indicating the charging and discharging speed of a battery
**Photothermal reaction: A reaction in which light energy is converted into heat energy
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