안전성 높은 전고체전지 실용화 앞당기는 고체전해질 개발

한국생산기술연구원

게티이미지뱅크 제공

전고체전지는 액체전해질 대신 고체전해질을 사용하는 전지다. 외부 충격에 따른 누액 위험이 없어 안정성이 높은 차세대 전지로 주목받는다. 국내 연구팀이 얇고 안정적인 복합 고체전해질을 개발해 전고체전지 실용화에 도움이 될 것으로 기대된다.

한국생산기술연구원은 임진섭 에너지나노그룹 수석연구원팀이 열을 가해 박막을 만드는 방식으로 기계적 강도가 높으면서 안정적인 새로운 형태의 복합 고체전해질을 개발했다고 14일 밝혔다. 연구결과는 지난 3월 국제학술지 '머티리얼스 케미스트리 A'에 공개됐다.

전고체전지에 사용되는 고체전해질에는 산화물, 황화물, 고분자 등의 물질이 쓰인다. 2가지 이상의 전해질을 동시에 사용하기도 한다. 산화물과 고분자를 결합한 복합 고체전해질은 기계적·화학적 안정성이 높고 이온의 전도도가 높다.

산화물-고분자 복합 고체전해질은 전극 내 입자나 전극 사이의 계면 저항이 해결 과제였다. 계면 저항이 발생하면 전지의 출력이 떨어진다. 또 전해질의 두께가 얇아질수록 리튬(Li) 금속이 뾰족한 수상돌기를 형성해 전지 단락이 발생하기 쉬워 전지 수명이 줄어들었다.

연구팀은 상온에서 높은 이온전도도를 나타내는 산화물계 고체전해질인 '루비듐 도핑 리튬-란타늄-지르코늄-산소(GR-LLZO)'를 고분자 전해질과 결합하기 위해 고분자의 재료인 모노머 용액과 혼합했다. 열을 가하자 모노머가 고분자로 중합되는 과정에서 전해질과 전극 사이 높은 계면 저항이 감소해 전지 출력 특성이 향상됐다.

연구팀이 개발한 복합 고체전해질 박막은 두께가 20마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터) 두께로 상용화된 리튬이온전지의 분리막과 비슷한 수준으로 얇았다. 리튬 수상돌기에 대한 내구성도 높아 70℃의 고온에서 배터리의 충전과 방전을 150번 반복한 후에도 배터리 용량을 93.2% 유지했고 높은 출력도 보였다.

전위 안전성과 기계적 강도도 향상됐다. 실험 결과 구부리거나 자르고 불이 붙는 상황에서도 전지는 안정적으로 작동됐다. 연구팀은 "기존 리튬이온전지 개발 공정과 전극 제조, 전지 조립 공정이 유사해 양산 라인을 새로 설치할 필요가 없어 비용도 아낄 수 있다"고 설명했다.

임진섭 수석연구원은 "전해질의 두께를 최소화하면서도 리튬 수상돌기 문제를 해결한 복합 고체전해질을 개발하는 것이 가장 어려운 목표였다"며 "핵심 기술을 확보한 만큼 전고체전지 실용화를 앞당기기 위한 후속 연구에 주력할 계획"이라고 전했다.

임진섭 한국생산기술연구원 에너지나노그룹 수석연구원(왼쪽 아래)이 이끈 연구팀. 한국생산기술연구원 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]