'꿈의 배터리' 대량생산 길 열리나…'고체 전해질' 더 싸게 생산한다

KIST·고려대 연구팀, 신기술 개발

[아이뉴스24 강지용 기자] 차세대 배터리로 주목받는 '전고체 배터리'의 고체 전해질을 값싸게 대량 생산할 수 있는 공정이 국내에서 개발됐다.

미국 배터리 스타트업 솔리드파워가 개발한 전고체 배터리 시제품 [사진=솔리드파워]

17일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면 강진구 KIST 나노포토닉스연구센터 선임연구원과 김동완 고려대 건축사회환경공학부 교수 공동연구팀은 하나의 용매만 활용하는 액상 공정을 통해 고체 전해질을 효율적으로 제작할 수 있는 기술을 개발했다.

전고체 배터리의 또 다른 별명은 '전기자동차 분야 게임체인저(Game Changer)'다. 전문가들은 상용화만 된다면 전기차가 내연기관 자동차를 완벽히 대체할 것으로 내다보고 있다. 전해액과 음극재 등의 소재를 고체화해 구조적으로 안정적인 전고체 배터리는 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있기 때문에 폭발이나 화재의 위험이 현저히 적다.

그런 이유로 기존 리튬이온 전지의 안전성과 관련된 부품들을 줄이고, 그 자리에 활물질을 채워 배터리 용량을 늘릴 수 있다. 그 결과 전기차의 주행거리를 1천km까지 획기적으로 늘릴 수 있고, 충전 속도도 빠르다.

이 중에서도 리튬 아지로다이트 황화물계 배터리는 이온전도도와 리튬 호환성, 전기화학적 안정성이 모두 뛰어나 주목받고 있다. 하지만 이를 만들 때 활용하는 고체 상태 혼합물에서 전해질을 만드는 고상 공정은 많은 에너지가 필요해 대량 생산에는 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 단일용매 이용 고체전해질 생산공정 [사진=KIST 제공]

이를 대체하기 위해 용매에서 혼합물을 반응시켜 대량 생산을 하는 액상 공정이 최근 개발되고 있지만, 최소 두 가지 용매를 활용해야 해 공정이 복잡하고 폐수를 분리해 처리하기도 어려웠다.

연구팀은 이를 대체해 단 하나의 용매만 써도 이중원소가 들어간 리튬 아지로다이트를 만들 수 있는 액상 공정을 개발했다. 극성이 크고 수소결합이 없는 소재인 '아세토나이트릴' 용매에 특정 순서대로 전구체를 투입해 반응시키는 방법으로, 이렇게 만든 고체 전해질은 기존 방식으로 만든 고체 전해질과 이온 전도도, 리튬 호환성, 안정성 면에서 큰 차이가 없었다고 연구팀은 설명했다.

또 이 공정은 다른 액상 공정과 달리 리튬 아지로다이트의 단점인 수분에 약한 점을 보완하기 위해 주석과 게르마늄 등 다른 원소를 넣는 것도 가능하다고 연구팀은 덧붙였다.

실제로 새로 개발한 공정을 통해 주석을 넣은 고체 전해질을 만든 결과 수분 안전성이 기존 고체 전해질보다 3~4배 늘어난 것으로 나타났다.

강 선임연구원은 "단일 용매 액상 공정은 큰 에너지 없이 저가로 고품질 고체전해질 제작을 가능하게 하므로 대규모 생산에 유리하다"며 "공장 규모 생산을 위한 최적화와 경제성 있는 폐용매처리 기술까지 뒷받침되면 상용 전기차 및 전자기기용 전고체배터리 제작에 실제 활용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 '재료화학저널 A'에 온라인으로 먼저 공개됐으며, 이달 21일 뒤표지 논문으로 실릴 예정이다.

/강지용 기자(jyk80@inews24.com)