한국표준과학연구원(원장 이호성)이 화재·폭발 위험을 원천 차단한 차세대 배터리인 '전고체전지' 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술을 개발했다.
표준연은 첨단소재측정그룹이 고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅하는 방식을 적용해 기존 생산 비용 10분의 1 수준으로 초고밀도 대면적 고체전해질막을 구현했다고 7일 밝혔다.
전고체전지는 액체 전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 적용한 배터리다. 그중 산화물계 전고체전지는 에너지 밀도가 높고, 독성 가스 유출 위험성도 없다. 산화물계 전고체전지는 주로 가넷계 고체전해질을 소재로 활용하는데, 고성능 전해질막을 만들려면 1000도 이상 초고온에서 분말을 압착하는 소결 과정을 거쳐야 한다.
문제는 소결 과정에서 고체전해질막 핵심 성분인 리튬 원소가 휘발된다는 점이다. 이 때문에 전해질막 구조적 안정성이 떨어져 대면적 제조가 어렵고 화학 조성 변화로 이온전도도, 계면 저항 등의 품질 또한 크게 저하된다.
이를 막기 위해 기존에는 '모분말'이라는 대량의 리튬전해질 소재로 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 방식을 사용했는데, 버려지는 모분말 양이 제조 전해질막보다 10배 이상 많아 생산 단가가 높고 상용화에 어려움이 있었다.
연구진은 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조 기술을 개발해 문제를 완전히 해결했다. 표면에 형성된 코팅층은 소결 과정에서 리튬 원소를 공급하는 동시에 리튬이 휘발하지 않도록 보호하고, 입자 간 결합력을 높여주는 납땜 효과를 내 전해질막 밀도를 극대화한다.
연구진은 실제 이번 기술을 적용해 고가 모분말을 전혀 사용하지 않고도 세계 최고 수준인 98.2% 이상 밀도를 달성했으며, 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상된 화학·기계적 결함이 없는 고강도 고체전해질 막을 제조했다. 또 해당 고체전해질 막 전기전도도를 20배 이상 감소시켜 전지 내부 전류 손실 위험을 크게 낮췄으며 이를 통해 전고체전지 효율·안정성을 동시에 강화했다.
특히 기존보다 10배 이상 큰 16㎠ 대면적 고체전해질 막을 수율 99.9%로 제조했다.
백승옥 표준연 첨단소재측정그룹 책임연구원은 “생산 비용을 획기적으로 낮춘 만큼 산화물계 전고체전지 상용화를 크게 앞당겨 ESS와 전기차 시장의 기술 혁신을 주도하겠다”고 말했다.
김화정 첨단소재측정그룹 박사후연구원은 “이번 기술 개발은 고부가가치의 차세대 배터리 소재 국산화를 여는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.
박혁준 고려대 신소재공학과 교수팀과 협업한 이번 연구성과는 머터리얼즈 투데이 1월호에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
