표준硏, 화재·폭발 위험 없는 '전고체전지' 기술 확보

산화물계 고체전해질막 생산비용 대폭 절감

[대전=뉴시스] 표준연구원(KRISS)이 개발한 고성능 대면적 고체전해질 공정 기술 모식도.(사진=KRISS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 화재와 폭발 위험을 원천 차단한 차세대 배터리 핵심기술을 개발해 전고체전지의 상용화에 속도가 붙게 됐다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅하는 방식으로 기존 생산비용의 10분의 1 수준에서 초고밀도의 대면적 '고체전해질막'을 구현하는 데 성공했다 7일 밝혔다.

전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 쓰이는 리튬이온 이차전지는 인화성 액체전해질을 사용해 화재와 폭발에 취약하고 한번 불이 붙으면 진압이 어렵다.

전고체전지는 액체전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 적용한 배터리로 이 중 산화물계 전고체전지는 에너지 밀도가 높고 황화물계와 달리 독성가스 유출로 인한 위험성도 없어 안전한 차세대 배터리로 주목받고 있다.

산화물계 전고체전지는 주로 가넷계 고체전해질을 소재로 활용한다.

가넷계 고체전해질은 뛰어난 이온전도도와 화학적 안정성을 갖췄으나 고성능 전해질막을 만들기 위해 1000도 이상의 초고온에서 분말을 압착하는 소결(Sintering)과정을 거쳐야 한다.

하지만 소결과정에서 고체전해질막의 핵심성분인 리튬원소가 휘발되는 한계가 있다. 이 때문에 전해질막의 구조적 안정성이 떨어져 대면적 제조가 어렵고 화학조성 변화로 이온전도도, 계면저항 등의 품질 또한 크게 저하된다.

이를 막기 위해 모분말(Mother-Powder)이라는 대량의 리튬전해질 소재로 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 방식을 사용했으나 이 방식은 소결 후 일회성으로 버려지는 모분말의 양이 제조하는 전해질막보다 10배 이상 많아 생산단가가 높고 상용화에도 어려움이 있었다.

이번에 표준연 첨단소재측정그룹은 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조기술을 개발해 기존 문제를 극복했다.

이 기술로 표면에 형성된 코팅층은 소결과정에서 리튬원소를 공급하는 동시에 리튬이 휘발하지 않도록 보호하고 입자 간 결합력을 높여주는 납땜(Soldering) 효과를 내 전해질막의 밀도를 극대화한다.

연구진은 확보된 이 기술을 적용해 고가의 모분말을 전혀 사용하지 않고도 세계 최고 수준인 98.2% 이상의 밀도를 달성했고 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상된 화학·기계적 결함이 없는 고강도의 고체전해질 막을 제조하는데 성공했다.

또 해당 고체전해질 막의 전기전도도를 20배 이상 감소시켜 전지내부 전류 손실위험을 크게 낮췄으며 이를 통해 전고체전지의 효율과 안정성을 동시에 강화했다.

이어 연구진은 기존보다 10배 이상 큰 16㎠ 규모의 대면적 고체전해질 막을 수율 99.9%로 제조하는 데도 성공했다.

첨단소재측정그룹 백승욱 책임연구원은 "이번 성과는 가넷계 고체전해질 연구에서 20년 넘게 해결되지 못했던 소재와 제조 공정상의 난제를 완전히 해결한 것"이라며 "생산비용을 획기적으로 낮춘 만큼 산화물계 전고체전지 상용화를 크게 앞당겨 ESS와 전기차시장의 기술혁신을 주도할 것으로 기대한다"고 말했다.

고려대 신소재공학과 박혁준 교수팀과 협업한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐고 연구결과는 국제학술지 '머터리얼즈 투데이' 1월호에 게재됐다.