‘이온전도도·유연성’ 모두 잡았다…폭발위험없는 ‘전고체전지’ 상용화 성큼

- KBSI-UNIST 공동연구 성과

산화물 기반 전고체전지 모식도.[한국기초과학지원연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 상용화가 가능한 수준의 높은 이온전도성과 유연성을 지닌 산화물 기반 전고체 배터리를 개발했다. 향후 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등에 활용이 가능할 전망이다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 김현우 박사, 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김영식 교수 공동연구팀이 LATP 고체전해질 기반의 유·무기 복합전해질막을 이용, 고유의 고이온전도성을 유지하면서도 기계적 강도와 유연성을 개선시키는 기술을 개발했다.

에너지밀도가 높은 리튬이온전지는 전기차(EV) 등 다양한 분야에서 에너지 저장장치로 쓰이고 있다. 하지만 유기 액체전해질 기반의 리튬이온전지는 누액과 열에 의한 화학 반응으로 인해 화재 사고의 위험이 있다. 반면 전고체 전지는 에너지밀도가 높으면서도, 열적 안정성이 우수한 고체를 전해질로 사용해 안전성을 확보할 수 있어 차세대 이차전지로 평가 받는다.

연구팀이 개발한 기술은 고온에서 완전 소멸해 버리는 카본 재질의 ‘희생 템플레이트’를 이용한 합성법이다. 이 템플레이트는 모양의 변형이 가능해 필요에 따라 원하는 디자인으로 고체전해질막을 만들 수 있다. 이렇게 제작된 LATP 소결체에 기계적 강도와 유연성을 높이기 위한 PEO(Poly ethylene oxide) 계열의 고분자를 첨가해 고이온전도성은 물론, 자유 변형이 가능하면서도 얇은 두께의 유·무기 복합전해질막을 개발했다.

김현우 한국기초과학지원연구원 박사.[한국기초과학지원연구원 제공]

LATP 전구체 용액을 희생 카본 템플레이트에 코팅시킨 뒤, 하소와 소결 공정을 통해 템플레이트 모양에 따라 수축된 형태의 다발성 LATP 소결체를 합성했다. 이후 고분자와 리튬염이 함유된 용액을 결정 구조 내부의 빈 공간에 침투시켜 건조하는 과정을 통해 복합전해질막 기술을 개발할 수 있었다. 테스트 결과 이 전해질막은 50회 이상의 굽힘 실험에도 기계적 강도와 높은 이온전도도를 유지했다.

또한 이 전해질막은 고에너지 셀의 성능을 발휘할 수 있도록 다수의 셀들을 직렬로 연결하는 고전압 적층형 셀 특성을 확보함으로써, 전기차(EV)용으로도 상용화가 가능한 수준의 전고체 전지 개발에의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

김현우 박사는 “이번 연구는 원하는 형태의 고체전해질을 디자인하면서, 기존 산화물계 소재와 고분자 소재의 장점을 동시에 갖는 복합전해질막에 대한 원천기술을 확보한 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 여러 종류의 고체전해질을 조합하거나 최적 조건의 복합소재 디자인 개량에 대한 후속 연구를 이어 나갈 것”이라고 전했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘재료화학 저널’ 7월 21일 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com