전기차 전고체전지 개발 실마리···전해질막 기술 개발

기초과학지원연·UNIST, 이온전도도·유연성 동시 향상

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 상용화가 가능한 수준의 높은 이온전도성과 유연성을 지닌 산화물 기반 전고체전지 기술을 개발했다. 앞으로 전고체전지 개발에 활용해 전기차, 에너지저장장치 등 산업계에 기술을 적용할 가능성을 제시했다.

김현우 한국기초과학지원연구원 선임연구원.(사진=한국기초과학지원연구원)

한국기초과학지원연구원은 김연우 박사 소재분석연구부 박사팀과 김영식 울산과학기술원 에너지화학공학과 교수 연구팀이 함께 LATP 고체전해질 기반의 유·무기 복합전해질막을 이용해 고이온전도성을 유지하면서도 기계적 강도와 유연성을 높인 기술을 개발했다.

리튬이온전지는 에너지밀도가 높아 전기차 등 다양한 분야에서 에너지 저장장치로 쓰고 있다. 하지만, 유기 액체전해질 기반이기 때문에 액체가 누출되거나 열 화학 반응으로 화재가 발생할 위험이 있다. 전고체 전지는 에너지밀도가 높으면서도 열 안정성이 우수한 고체를 전해질로 사용해 안전성을 확보할 수 있어 차세대 이차전지로 평가 받는다.

전고체 전지에 적용 가능한 무기 고체전해질은 크게 황화물계와 산화물계로 나뉜다. 황화물계 고체전해질은 연질의 기계적 특성과 고체전해질 중에서도 이온전도성이 가장 높다. 다만, 수분에 불안정해 대기에 노출되면, 유독한 황화수소 가스가 발생하면서 전지 성능이 떨어진다.

산화물계 고체전해질은 대기 안정성이 우수하고, 상온에서 이온전도도가 뛰어나다. 하지만 고온 열처리 후에도 외력이 가해지면 잘 깨져 얇은 두께의 전해질막을 구현하기 어렵다.

연구팀이 개발한 기술은 고온에서 완전 소멸해 버리는 카본 재질의 ‘희생 템플레이트’를 이용한 합성법이다. 이 템플레이트 모양을 변형해 필요에 따라 원하는 디자인으로 고체전해질막을 만들 수 있다. 이렇게 제작한 LATP 소결체에 기계 강도와 유연성을 높이기 위한 PEO 계열의 고분자를 첨가해 고이온전도성은 지니면서도 자유롭게 변형이 가능한 유·무기 복합전해질막을 개발했다.

시험 결과, 전해질막은 50회 이상의 굽힘 실험에도 기계적 강도를 나타냈고, 상용화가 가능한 수준의 이온전도도를 유지했다.

김현우 박사는 “희생 템플레이트를 이용해 원하는 형태의 고체전해질을 설계하면서 기존 산화물계 소재와 고분자 소재의 장점을 동시에 갖는 복합전해질막에 대한 원천기술을 확보했다”며 “고성능 전고체 전지를 만들기 위해 여러 종류의 고체전해질을 조합하거나 최적 조건의 복합소재 디자인 개량 연구를 해나가겠다”고 했다.

연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry’에 지난 7월 21일자로 게재됐다.

연구 이미지.(자료=한국기초과학지원연구원)