표준연, 전고체전지 생산비용 90% 낮춘 기술 개발

[석대건 기자]

(왼쪽부터) KRISS 첨단소재측정그룹 백승욱 책임연구원, 최민서 학생연구원, 김화정 박사후연구원, 고려대학교 신소재공학과 박혁준 교수 [사진: 한국표준과학연구원]

[디지털투데이 석대건 기자] 한국표준과학연구원(KRISS)이 전고체전지 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 전고체전지는 액체 전해질 대신 고체전해질을 사용해 화재와 폭발 위험을 원천 차단한 차세대 배터리다. 연구진은 고체전해질 생산 비용을 기존 대비 10분의 1 수준으로 낮춘 성과를 냈다.

KRISS 첨단소재측정그룹은 고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅하는 방식을 개발했다. 이 기술로 초고밀도의 대면적 고체전해질막을 구현했다. 현재 전기자동차와 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 리튬이온 이차전지는 인화성 액체 전해질을 사용하고 있다.

산화물계 전고체전지는 가넷계 고체전해질을 소재로 활용하는데, 이온전도도와 화학적 안정성을 갖췄어도 1000℃ 이상 초고온으로 분말을 압착하는 과정에서 리튬 원소가 휘발되는 문제가 있었다. 그래서 전해질막의 구조적 안정성이 떨어져 대면적 제조가 어려웠다. 화학 조성 변화로 이온전도도와 계면 저항 등 품질도 저하됐다.

이때문에 기존에는 모분말(Mother-Powder)이라는 대량의 리튬전해질 소재로 전해질막을 두껍게 덮어 보호했다. 소결 후 일회성으로 버려지는 모분말의 양이 제조하는 전해질막보다 10배 이상 많아 생산 단가가 높았다.

이에 연구진은 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조 기술을 개발했다. 표면 코팅층은 소결 과정에서 리튬 원소를 공급하고 리튬 휘발을 방지한다. 입자 간 결합력을 높여주는 납땜(Soldering) 효과로 전해질막 밀도를 극대화했다.

이를 통해 모분말을 전혀 사용하지 않고 세계 최고 수준인 98.2% 이상의 밀도를 달성했다. 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상되는 동시에 고체전해질막의 전기전도도를 20배 이상 감소시켜 전지 내부 전류 손실 위험을 낮췄다고 전했다. 기존보다 10배 이상 큰 16㎠ 규모의 대면적 고체전해질막을 수율 99.9%로 제조했다고 강조했다.

KRISS가 개발한 고성능 대면적 고체전해질 공정 기술 모식도 [사진: 한국표준과학연구원]

백승욱 KRISS 첨단소재측정그룹 책임연구원은 "이번 성과는 가넷계 고체전해질 연구에서 20년 넘게 해결되지 못했던 소재와 제조 공정상의 난제를 완전히 해결한 것"이라며 "생산 비용을 획기적으로 낮춘 만큼 산화물계 전고체전지 상용화를 크게 앞당겨 ESS와 전기차 시장의 기술 혁신을 주도하겠다"라고 말했다.

김화정 첨단소재측정그룹 박사후연구원은 "현재 우리나라는 직경 1㎝ 크기에 80만원 이상인 가넷계 고체전해질 펠릿을 전량 수입하고 있는 상황"이라며 "이번 기술 개발은 고부가가치의 차세대 배터리 소재의 국산화를 여는 계기가 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발 사업 지원을 받았으며 머터리얼즈 투데이 1월호에 게재됐다.

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