전고체 배터리 에너지밀도를 6배 높였다

ETRI, 얇고 유연한 고체 전해질막 개발

ETRI 스마트소재연구실 강석훈 선임연구원이 습식공정 기반의 고체 전해질막을 들어 보이고 있다. ETRI 제공

[파이낸셜뉴스] 한국전자통신연구원(ETRI)은 스마트소재연구실에서 10배 얇고 에너지밀도가 6배 증가한 전고체 배터리의 전해질막을 개발했다고 18일 밝혔다. 이 고체전해질막은 기존 알갱이 형태의 고체전해질을 응축해 만든 것이 아니라 직물 모양의 뼈대 위에 황화물계 전해질을 발라 만들어 옷감처럼 하늘거린다.

연구진은 이 전해질 막이 통해 높은 용량을 가지면서도 다양한 형태로 유연하게 다변화할 수 있는 차세대 전고체배터리의 상용화에 기여할 것으로 기대하고 있다.

이번 연구를 주도한 강석훈 선임연구원은 "그동안 고체 전해질을 최종 셀에 적용하는 데에 공정적 한계가 있었는데 본 연구에서 개발한 고체 전해질막은 적용된 배터리 셀의 에너지밀도를 획기적으로 높여 전고체배터리의 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다"고 말했다.

연구진은 이 고체 전해질을 이용해 전고체 배터리 셀을 만들어 테스트했다. 그결과 셀의 출력 특성은 20% 향상되었을 뿐만 아니라, 부피당 에너지밀도도 기존 대비 6배가 증가했다. 또한, 고온 노출 시험과 고전압 시험 등을 통해 ETRI 전고체배터리의 우수한 안정성을 실험으로 입증했다.

이영기 스마트소재연구실장은 "기존의 딱딱하고 두껍고 작은 면적의 펠릿형 또는 두꺼운 시트형 고체 전해질을, 얇은 두께와 유연성을 가지는 막(멤브레인) 형태로 구현함으로써 기존 펠릿형 전고체배터리의 기술적 한계를 극복하고자 노력했다"라고 밝혔다.

전고체배터리는 배터리의 핵심구성요소인 전해질을 기존 액체 형태에서 고체 형태로 대체한 것이다. 가연성의 액체 전해질을 고체로 대체함으로써 누출이나 화재로 인한 위험성을 원천적으로 방지할 수 있다.

기존 전고체배터리 연구에서는 고체 전해질 입자에 압력을 가하거나, 소결하는 공정을 거쳐 수백 마이크로미터(㎛) 두께의 알갱이(펠릿) 형태로 제조하는 것이 일반적이었다.

하지만 고체 전해질 펠릿은 깨지기 쉬운 성질이 있어, 이를 적용한 배터리 셀에 유연성을 부여하기 어렵고, 두께가 두꺼워져 셀의 에너지밀도가 기대와는 달리 오히려 낮아지는 한계가 있어 상용화에 걸림돌이 되어 왔다.

연구진은 이와 같은 한계를 극복하기 위해 우수한 이온전도도를 갖는 황화물계 고체 전해질과 기계적 강도가 우수한 고분자 직물 지지체를 활용해 고체 전해질막을 얇게 만들었다. 또한, 대면적화가 용이한 습식공정 기술을 개발, 우수한 성능과 동기에 기계적 강도, 유연성까지 확보했다.

한편, 연구진은 새로운 고체 전해질 막을 세계적인 학술지인 'ACS 응용 재료·인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 발표했다. 연구진은 이번 연구개발 내용을 바탕으로 다양한 기재의 지지체 구조를 확대 적용하는 한편, 고체 전해질막의 추가 이온전도 특성 향상 및 분리막 수준의 박막화를 통해 기존 전지 셀 제조방식에 호환이 가능한 고체 전해질막 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
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