미래산업 게임체인저 '전고체 이차전지' 상용화 성큼

- 기초지원硏·화학硏 공동연구, 폭발 가능성 없애고 자유로운 변형 가능

전고체 이차전지의 내부구조 모식도. 넓은 면적의 단일 셀들이 적층됐음에도 전지의 자유변형이 가능하다.[KBSI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내연구진이 차세대 배터리로 주목받는 ‘전고체 이차전지’의 안전성을 획기적으로 높이는데 성공, 실험실 수준을 벗어나 본격 상용화의 물꼬를 텄다.

한국기초과학지원연구원은 소재분석연구부 김해진 박사 연구팀이 한국화학연구원, 성균관대학교, 전남대학교, 인하대학교 연구팀과의 공동연구를 통해 안전하고 자유변형이 가능한 전고체 이차전지를 개발했다고 13일 밝혔다.

전고체 이차전지란 기존 이차전지에 사용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체해 안전성 측면에서 새로운 가능성을 제시한 차세대 배터리다.

연구팀이 개발한 전고체 이차전지는 고체 전해질을 사용했기 때문에 기존의 액체 전해질 이차전지에서 발생하는 폭발 가능성 자체를 원천 차단했다. 특히 전지를 절단하거나 전지의 외부 파우치를 열어 내부를 공기 중에 노출시켜도 안정적으로 작동함을 실험을 통해 확인했다.

또한 1mm 이하 두께로 얇게 제작된 전지는 자유롭게 구부리거나 구기는 등 극한의 변형에도 정상적으로 작동했다. 자유변형이 가능한 특성 때문에 웨어러블 전자기기 디자인의 자유도를 높여줄 기술로 평가된다.

성능 확인을 위해 제작된 100mAh 용량의 전고체 이차전지는 500회의 충·방전 및 1000회 굽힘 테스트 진행 후에도 90%의 용량을 유지했다.

연구팀은 이번 전고체 이차전지 개발을 위해 양극 및 음극 소재, 집전체, 고체 고분자 전해질 소재의 신규 개발과 기존 소재의 성능 개선을 동시에 수행해 소재 기술을 확보했다.

특히 실시간 X-ray 회절 분석법과 핵자기공명 분석법을 활용, 작동 중인 배터리 내부 소재의 구조 변화를 실시간으로 분석해 소재를 최적화했다. 이같은 분석법은 전지의 작동원리에 대해 정확한 분석이 가능하기 때문에 전고체 이차전지뿐만 아니라 ‘리튬-황 전지’, ‘리튬-공기 전지’ 등 다양한 차세대 이차전지 개발에 적용 가능하다.

개발된 전고체 전지는 1000회의 굽힘 테스트에도 높은 용량을 유지했다.[KBSI 제공]

개발된 전고체 이차전지는 기존의 이차전지 제작 공정을 그대로 활용 제작할 수 있다는 장점도 가지고 있다. 이에 따라 실수요기업과의 협업을 통한 전고체형 이차전지의 상용화가 한층 더 수월하게 진행될 것으로 기대된다.

김해진 박사는 “기존 이차전지의 폭발 및 화재 사고는 액체 전해질로부터 기인하는데, 국내 연구진의 융합연구를 통해 안전성이 담보된 차세대 자유변형 전고체형 이차전지 제조 기술을 확보했다”면서 “이 기술은 향후 10년 이내에 성능 한계에 도달할 기존 기술을 대체할 수 있고, 웨어러블 전자기기와 드론, 전기자동차에 활용되는 중대형 이차전지 모두에 적용 가능해 미래 이차전지 산업의 게임체인저 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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