			보도자료
배포일	2026년 9월 21일(월) 08:00			엠바고	온라인 : 2026년 9월 22일(화) 12:00 지 면 : 2026년 9월 23일(수) 조간
문 의	연구부서	화학소재연구본부 문산 책임연구원 (042-860-7254, 010-8447-0331)
	홍보부서	대외협력실 양경욱 실장(042-860-7109, 010-6425-8557) 대외협력실 강가람 선임행정원(042-860-7815, 010-4699-2639)

두꺼운 전극 속 ‘리튬 교통체증’ 해결, 고용량 배터리 길 연다

- 더 많은 에너지 담으려 전극 두껍게 제작 시 리튬이온 이동 병목 해결

- 흑연질화탄소(g-C3N4) 소량(0.5%) 첨가하자 리튬이온 길잡이 역할하여 이동성 개선

- 기존 습식 용매·건조 공정 필요없는 경제적 방식, 고에너지 배터리 제조공정 상용화 기대

□ 한 번 충전해 더 오래 사용하는 배터리를 만들려면 같은 크기와 무게에 더 많은 에너지를 저장해야 한다.

◯ 한국화학연구원(원장 신석민) 문산·석정돈 박사팀은 흑연 질화 탄소(graphitic carbon nitride, g-C3N4)를 양극 첨가제로 처음 적용해, 전해액이 전극 안으로 잘 스며들게 하고 리튬이온이 양극재로 이동하는 데 필요한 에너지를 낮추는 건식 후막 양극 기술을 개발했다. 연구에는 서울대학교, 연세대학교 등 국내 대학과 세계적 연구장비 업체인 Thermo Fisher Scientific Korea가 참여했다.

□ 배터리 전극을 두껍게 만들면 같은 면적에서 집전체·분리막 부품은 덜 사용하고 활물질(전기 저장 물질) 양은 늘릴 수 있어 고 에너지밀도, 즉 장거리 주행용 고용량 배터리 제작에 유리하다. 하지만 두꺼워질수록 전극 윗부분만 사용되고 전극 안쪽의 리튬이온 이동이 느려지는 일종의 ‘리튬 교통체증’이 발생해 저장된 에너지를 충분히 활용하기 어려웠다.

◯ 현재는 양극재와 바인더 등을 용매에 섞어 바른 뒤 말리는 습식 전극 공정이 널리 쓰인다. 이 방식은 전극이 두꺼워질수록 건조 과정에서 바인더가 위쪽으로 이동해 내부 조성이 불균일해질 수 있다. 건식 공정은 용매와 건조 단계를 없애 이러한 문제를 줄일 수 있지만, 전극이 두꺼워질수록 커지는 리튬이온 이동 저항까지 해결하지는 못했다.

□ 연구팀은 다공성 흑연질화탄소(g-C3N4) 첨가제를 전극 속 ‘리튬이온 길잡이’로 활용했다. g-C3N4 첨가제 표면의 질소는 지나가는 리튬이온을 잠시 붙잡았다가 놓아주는 ‘리튬-질소(Li-N) 결합’을 만든다. 마치 두꺼운 건물 안에 중간 환승거점을 배치하는 것처럼, 리튬이온이 전해액이라는 ‘외투’를 벗고 양극재로 들어가는 과정을 돕는다.

◯ 그 결과 리튬이온 이동에 필요한 활성화에너지가 49.8에서 22.1 kJ/mol로 56% 감소했다. 동시에 다공성 구조가 전해액 젖음성을 높여 전극 내부에서 리튬이온이 더 고르게 분포하도록 했다.

◯ 첨가제를 0.5% 넣은 약 68㎛ 두께의 건식 전극은 3C 고속 방전에서 용량이 58.8→156.2 mAh/g으로 165.9% 증가했고, 출력밀도는 최대 2.85배 높아졌다. 파우치형 완전전지에서는 600회 충·방전 후 용량 유지율이 기존 72.9%에서 81.3%로 개선됐다.

◯ 다만 첨가제를 무조건 많이 넣는다고 성능이 좋아지지는 않았다. g-C3N4는 전기가 잘 통하지 않아 과량 첨가하면 전기저항이 증가하고, 압착한 전극이 시간이 지나며 다시 부푸는 ‘스프링백’으로 내부 이온 통로도 복잡해졌다. 연구팀은 이에 따라 첨가량뿐 아니라 전극 내 배치 위치와 기공구조까지 함께 설계해야 한다는 점을 규명했다.

□ 건식 전극은 용매 건조·회수 공정을 없앨 수 있어 제조비·에너지와 생산공간을 줄일 가능성이 크다. 다만 이번 논문에서는 실제 양산 수율이나 제조원가 절감률을 직접 측정하지는 않았다.

◯ 문산 화학연 이차전지연구센터장은 “0.5% 수준의 적은 첨가제로 전해액 젖음성과 이온 이동을 동시에 개선하고, 첨가제의 양뿐 아니라 배치 위치와 전극 구조까지 최적화했다는 데 의미가 있다.”라고 밝혔다. 신석민 화학연 원장은 “간단하고 경제적인 첨가제 공정 방식을 대형 전지에서도 구현하고 실제 생산수율을 검증한다면, 전기차 및 ESS, 로봇 분야 등 다양한 산업계에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

◯ 이번 성과는 국제학술지 ‘Exploration(IF: 30.4)’에 2026년 8월 표지 논문으로 게재됐다. 화학연 문산, 석정돈 박사가 교신저자로, 은혜지 석사후연구원이 1저자로 참여했다.

◯ 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업(RS-2023-00282389), 산업통상자원부 기술혁신사업(2410018628), 국가과학기술연구회(NST) 글로벌탑 전략연구단 사업(GTL24011-000)의 지원을 받았다.

※ 논문 주요 사항

2026.8.11. (온라인 게재)	◦저널명 : Exploration (IF: 30.4) ◦논문명(영문) : Architecture-Interface Co-Design of g-C3N4 Driven Dry Thick Cathodes Enabling Fast Li-Ion Transport ◦논문명(국문) : g-C₃N₄ 기반 건식 후막 양극의 구조-인터페이스 공동 설계를 통한 고속 리튬 이온 수송 구현 ◦저자 정보 - 교신저자 : 문산 책임연구원(화학연), 석정돈 책임연구원(화학연) - 1저자 : 은혜지 석사후연구원(화학연) - 공동저자 : 박진규 박사후연구원(화학연), 이가람 학생연구원(화학연), 송영철 책임연구원(화학연), 우미혜 책임연구원(화학연), 최효준(서울대), 이명환 선임연구원(화학연), 김은지(화학연), 김영수·박지영(Thermo Fisher Scientific Korea), 이상영(연세대) ◦DOI : https://doi.org/10.1002/exp2.70207

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		<기존 기술> - 리튬이온전지의 에너지밀도를 높이는 방법 중 하나는 한 장의 전극에 더 많은 양극 활물질을 담는 후막(thick-film) 전극을 사용하는 것임. - 전극 한 장의 용량을 높이면 동일한 용량의 배터리를 만들 때 집전체와 분리막 등 비활성 부품의 상대적인 사용량을 줄일 수 있음. - 그러나 전극이 두꺼워질수록 리튬이온이 전극 내부 깊은 곳까지 이동해야 하는 거리가 길어지고 이온 저항이 증가함. 특히 높은 전류로 빠르게 방전할 경우 전해액과 가까운 전극 상부에서는 리튬이온이 지속적으로 공급되는 반면, 집전체와 가까운 전극 하부에서는 리튬이온 공급이 반응 속도를 따라가지 못하는 리튬이온 고갈(Li⁺ depletion) 현상이 발생함. - 기존 습식전극은 양극재·도전재·바인더를 용매에 혼합한 뒤 코팅하고 건조해야 함. 전극이 두꺼워지면 건조 과정에서 바인더가 전극 상부로 이동해 전극 두께 방향으로 조성 불균일이 발생하기 쉽고, 건조 및 용매 회수에 추가적인 공정과 에너지가 필요함. - 건식전극은 용매와 건조공정을 사용하지 않기 때문에 이러한 제조상의 문제를 줄일 수 있으나, 전극 자체가 두꺼워지면서 발생하는 리튬이온 수송 저하는 여전히 해결해야 할 문제임. - 기공을 많이 만들어 전해액 통로를 확보하면 리튬이온 수송은 개선할 수 있지만, 전극 밀도가 낮아져 단위 부피당 활물질이 감소하기 때문에 에너지밀도가 낮아지는 상충관계가 있음. 즉, 기존 후막전극에서는 높은 에너지밀도와 높은 출력특성을 동시에 확보하기 어려웠음. <개선 기술> - 연구팀은 전극의 기공을 단순히 증가시키는 대신, 전극 구조(architecture)와 전극–전해질 계면(interface)을 동시에 제어하는 새로운 접근법을 제시함. - 이를 위해 질소가 풍부한 다공성 소재인 흑연질화탄소(graphitic carbon nitride, g-C3N4)를 건식 NCM811 후막 양극에 기능성 첨가제로 적용함. 특히 복잡한 신규 활물질을 개발하는 대신 비교적 접근성이 높은 g-C₃N₄를 0.5 wt%라는 매우 적은 양만 첨가해 큰 성능 향상을 얻었다는 점이 특징임. - g-C3N4는 두 가지 역할을 동시에 수행함. 먼저 다공성·질소 기반 표면이 전해액에 대한 젖음성을 높여 후막전극 내부까지 전해액이 보다 효과적으로 접근하도록 함. - 동시에 g-C3N4 표면의 질소가 리튬이온과 일시적인 Li–N 배위결합(transient Li–N coordination)을 형성함. 이 상호작용은 리튬이온을 고정하는 것이 아니라, 용매에 둘러싸인 리튬이온의 부분적인 탈용매화를 돕고 이후 인접한 양극 활물질로 전달되도록 하여 계면 반응을 촉진함. - 실제 온도별 전기화학 임피던스 분석 결과, 최적 조건인 0.5 wt% g-C3N4 전극에서 계면 Li⁺ 전하전달의 겉보기 활성화에너지가 49.8에서 22.1 kJ mol⁻¹로 약 56% 감소함. - 상용 전지의 전극과 비슷한 수준의 약 21.5 mg cm⁻²의 높은 양극재 로딩을 갖는 건식 후막전극에서 3C 고율 방전용량이 58.8 → 156.2 mAh g⁻¹로 165.9% 증가하였으며, 출력밀도는 첨가하지 않은 전극 대비 2.85배 향상됨. - 파우치형 완전전지에서도 600회 충·방전 후 용량 유지율이 72.9%에서 81.3%로 향상되어 고율 성능뿐 아니라 장기 수명 향상 가능성도 확인함. - 또한 양극재 로딩을 약 42.2 mg cm⁻², 두께 약 113 μm까지 높인 이중층(dual-layer) 초후막 전극에서도 최적 구조를 적용해 1C 용량을 기존 대비 62.5% 향상시킴으로써 고면적용량 전극으로의 확장 가능성을 제시함. - 따라서 이번 연구의 핵심은 단순히 새로운 첨가제를 발견한 것이 아니라, “전극을 두껍게 만들수록 에너지는 높아지지만 출력은 낮아지는 문제”를 전극 구조와 계면화학을 동시에 설계함으로써 완화하는 새로운 후막전극 설계 원리를 제시했다는 점임.
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 전기자동차용 고에너지·고출력 리튬이온배터리 - 순간적 고출력을 요구하는 전기차 가속·고출력 운전용 배터리 - 고에너지밀도 ESS 및 대형 리튬이온전지 - 차세대 건식전극 제조기술
실용화를 위한 과제는?		- 연구실 규모의 건식전극 제조기술을 연속식 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정으로 확대 - 대면적 전극에서 g-C3N4가 전체 영역에 균일하게 분산되도록 혼합 및 분산 공정 최적화 양산공정에서도 이러한 3차원 기공구조를 정밀 제어하는 기술 - 양산 전극에서 이온전달 향상과 전자전도 저하를 고려한 g-C3N4 첨가량 최적화 - 대량생산 조건에서 생산수율, 제조단가, 공정시간 및 에너지 절감 효과에 대한 정량 평가 필요
실용화 가능 시기는?		- 현재는 실험실 규모의 건식 후막전극 제조, 초후막 이중층 전극 및 파우치 완전전지 600회 수명 검증까지 완료한 기술검증 단계로, 즉시 양산에 적용하는 단계는 아님. - 산업체와 공동으로 대면적 연속공정 및 대형 셀 검증이 진행될 경우 향후 약 3-5년 내 파일럿 공정 및 양산 적용 가능 판단
산업적, 경제적 파급효과는?		<산업적 효과> - 용매를 사용하지 않는 건식전극 기술의 고에너지밀도·고출력화 기반 마련 - 전극 두께와 첨가제 함량뿐 아니라 기공 연결성·굴곡도까지 함께 고려하는 건식전극 설계 방법론 제시 - 전기차·ESS 등 고에너지·고출력 이차전지 분야의 건식전극 제조 경쟁력 강화 기대 - 롤투롤 제조와 호환되는 공정으로 향후 대량생산 기술로의 확장 가능성 <경제적 효과> - 건식공정은 기존 습식공정에서 필요한 용매 사용 및 건조·용매회수 단계가 불필요해 제조공정 단순화 가능 - 건조로 및 용매 회수설비에 필요한 설비 공간을 줄여 배터리 공장 공간 활용도 향상 가능 - 고온·장시간 건조공정이 줄어들 경우 생산 에너지 및 제조비 절감 가능성 - 습식 후막전극에서 발생하는 바인더 이동과 조성 불균일 문제를 줄여 향후 전극 품질 안정화 및 생산수율 향상 가능성 - 같은 면적의 전극에 더 많은 활물질을 담는 후막전극을 구현하면 집전체·분리막 등 비활성 부품의 상대적 사용량을 줄여 셀 단위 에너지밀도 향상 가능 - 고출력과 장기수명을 동시에 개선할 경우 전기차·ESS 배터리의 성능 및 교체주기 측면에서 경제성 향상 기대

(참고) 연구 내용 관련 상세 참고 자료

□ 관련 기술 분야 용어 설명

◯ 건식 후막 전극: ‘건식’ 공정이란, 액체 용매를 사용하는 습식공정과 달리 용매 없이 양극재·도전재·바인더를 섞어 만드는 방식으로서, 액체 용매 건조 등 제작 공정이 줄어들어 경제적이다. ‘후막(厚膜)’ 전극이란 일반 전극보다 많은 활물질(리튬이온을 저장할 수 있는 재료)을 담아 두껍게 만드는 전극이다. 일반적인 전극을 여러 장 쌓아 배터리를 만들면 각 전극층 사이마다 분리막, 그리고 각 전극의 집전체가 반복해서 들어가는 반면 후막 전극은 한 장의 전극 안에 더 많은 활물질을 담을 수 있기 때문에, 같은 용량의 배터리를 만들 때 필요한 전극·분리막·집전체의 반복 적층 수를 줄일 수 있다. 그만큼 배터리 내부 공간을 에너지 저장에 더 효율적으로 활용할 수 있다

◯ g-C3N4(흑연질화탄소): 탄소와 질소로 이루어진 다공성 소재. 이번 연구에서는 전해액을 잘 머금고 표면의 질소가 리튬이온과 일시적으로 결합해 이온 이동을 돕는다.

◯ 탈용매화: 전해액 속 리튬이온을 둘러싼 용매 분자가 떨어져 나가 양극재 내부로 들어갈 준비를 하는 과정이다.

◯ 스프링백: 압착한 전극이 시간이 지나며 일부 원래 두께로 되돌아오는 현상. 지나치면 기공 연결구조가 흐트러져 이온 이동이 어려워질 수 있다.

□ 유사 기술 장단점 비교

구분	방식	장점	한계
습식 후막전극	용매 슬러리 코팅·건조	양산 기술 성숙	건조 비용, 바인더 이동, 후막화 한계
인공기공 후막 전극	레이저·기공(리튬이온 이동하는 구멍) 형성	이온 이동거리 개선	활물질 비율, 에너지밀도 감소 가능
(기존) 건식 후막 전극	PTFE 섬유화·압착	용매·건조 불필요, 고로딩 유리	전극 하부 이온 부족
이번 기술	g-C3N4 0.5% 첨가	3C 용량 +165.9%, 출력밀도 2.85배	과량 첨가 시 저항·스프링백 증가

관련 이미지

□ [그림 1] 화학연 연구진, (왼쪽부터) 석정돈 책임연구원, 박진규 박사후연구원, 이가람 학생연구원, 문산 책임연구원

□ [그림 2] 건식 후막 전극 공정 기술 개요

□ [그림 3] 연구팀이 개발한 첨가제 및 완성된 전극

□ [그림 4] 이가람 학생연구원이 전극 분말 반죽과 집전체를 롤러로 밀어 접착시키는 작업을 하고 있다

□ [그림 5] 박진규 박사후연구원이 파우치 셀 배터리 제작을 위해 전극과 단자를 결합하는 장비를 가동하고 있다.

□ [그림 6] Exploration(IF 30.4) 2026년 8월호 전면 표지(Front Cover) 이미지

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 문산 책임연구원
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 이차전지연구센터
○ 전 화 : 042-860-7254
○ 이메일 : san82@krict.re.kr

2. 학력

○ 2002 – 2009  고려대학교 신소재공학과 공학사

○ 2009 – 2011  KAIST 신소재공학과 공학석사

○ 2011 – 2015  KAIST 신소재공학과 공학박사

3. 경력사항

○ 2015 - 2019  삼성전자 종합기술원 전문연구원

○ 2019 – 2021  삼성 SDI 책임연구원

○ 2021 – 현재  한국화학연구원 이차전지연구센터 책임연구원

4. 전문 분야 정보

○ 이차전지용 양극 및 전극 연구