전고체전지 상용화 앞당길 기술 나왔다

전기연구원-금오공대 공동개발
고체전해질용 황화실리콘으로 제조비 줄이고 성능은 2배 올려

국내 연구진이 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체전지의 핵심이며 이온 전달 물질인 고체전해질을 저가로 만드는 기술을 개발했다. 이 기술로 만든 고체전해질은 이온 전달 성능이 기존 것보다 2배 이상 향상됐다.

한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀과 금오공대 신소재공학부 박철민 교수팀이 전고체전지 상용화를 앞당길 수 있는 '고체전해질용 황화실리콘 저가 제조기술'을 개발했다고 20일 밝혔다. 전기연구원 측은 "고체전해질 제조를 위한 최적 공정 기술을 개발하고, 이를 전고체전지에 적용할 수 있는 발판을 마련한 것"이라고 설명했다.

연구진은 이 제조기술에 대한 특허 출원을 준비하고 있으며, 관련 기업을 찾아 황화실리콘 제조 공정의 스케일업(Scale-up) 및 상용화를 추진할 계획이다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌, 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다. 그러나 제조공정 및 양산화의 어려움, 높은 단가 등 상용화까지 해결해야 할 문제가 많다. 연구진이 주목한 소재는 황화실리콘이다. 전고체전지용 고체전해질에 황화실리콘을 첨가하면 이온 전도도 및 수분 안정성을 높일 수 있다. 하지만 황과 실리콘을 합성하려면 높은 온도가 필요하고, 이과정에서 증기압이 커져 제조공정이 어려워 현재 황화실리콘의 가격이 20g에 약 170만원에 달한다.

연구진은 황과 실리콘의 배치를 최적화해 합성 조건을 확립했다. 이를통해 800도의 높은 반응온도에서도 황의 기화에 따른 증기압을 버틸 수 있는 완벽한 밀폐 환경을 만들어냈다. 그 결과, 고체전해질의 품질이 상용 제품과 대등했다. 2배 이상의 높은 이온 전도도와 수분 안정성을 가졌다. 이로인해 공정의 최적화로 과정은 단순화하고, 제조비 감소도 기대할 수 있게 됐다.

또 이번 황화실리콘을 고체전해질 뿐만아니라 액체전해질 기반의 리튬이온전지 음극 활물질에도 적용해 좋은 결과를 얻었다.

하윤철 박사는 "그동안 황의 증기압 상승을 해결하기 위해 국내외 많은 연구진이 고가의 원료를 사용하거나, 특수 공정을 도입하는 등 어려움을 겪었는데, 우리의 성과로 고체전해질용 황화실리콘을 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 길이 열리게 될 것"이라고 말했다. 한편, 연구진은 새로운 제조기술을 에너지·연료 분야 세계적 논문인 '저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)'에 발표했으며, 그 우수성을 인정받아 표지논문 선정됐다.