화재 걱정 없는 ‘전고체전지’ 핵심 소재, 생산 시간 줄이고 성능 높인다

전기연, 산·학·연 협력 통해 기존에 보유한 ‘공침법’ 업그레이드

하윤철 한국전기연구원 차세대전지연구센터장 연구진이 '업그레이드형 공침법'을 통해 전고체전지용 고체전해질을 더 빠르고, 품질 좋게 만드는 데 성공했다./한국전기연구원

국내 연구진이 전고체전지의 핵심 소재인 황화물계 고체전해질을 더 빠르고 품질 좋게 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 전고체전지의 대량 생산을 앞당기는 계기가 될 것으로 기대된다.

하윤철 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터장연구진이 전고체전지용 황화물계 고체전해질을 더 빠르고, 품질 좋게 만드는 ‘업그레이드형 공침법’을 개발했다고 10일 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 지난해 12월 게재됐으며, 최근 특허 출원까지 마쳤다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 액체가 아닌, 화재나 폭발의 위험성이 극히 낮은 고체로 대체한 것이다. 하지만 고체전해질은 제조가 어렵고, 가격이 비싸 한계가 있었다.

이에 연구진은 지난 2021년 고가의 황화리튬 없이 원료들을 한꺼번에 용기에 넣어 고체전해질을 대량으로 제조하는 ‘공침법’을 제안했다. 기존 방식 대비 원료비를 대폭 절감할 수 있고, 고에너지 밀링이나 증발 공정이 필요 없는 기술이다. 해당 기술은 국내 전기·전자재료 전문 기업인 대주전자재료에 기술 이전됐다.

이번 연구에서는 한국과학기술원(KAIST), 대주전자재료 등과 함께 고체전해질 생산 시간을 14시간에서 4시간으로 단축하고 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 최적화된 업그레이드형 공침법을 개발하는 데 성공했다.

공침법은 원료를 고르게 용액 속에 녹여내고, 이를 침전시킨 후 필터로 걸러내는 과정이 핵심이다. 연구진은 리튬과 황, 촉매를 적정 비율로 혼합해 다양한 원료들이 빠르고 균질하게 용해, 공침되는 기술을 개발했다.

변혜령 KAIST 교수 연구진은 리튬의 용해 정도에 따라 발생하는 각 중간산물의 화학적 분석을 주도하면서, 같은 대학 백무현 교수 연구진과 서종철 포스텍 교수 연구진의 도움을 받아 중간산물의 정확한 분자 구조를 밝혀냈다. 이를 기반으로 대주전자재료는 실제 고체전해질 양산에 적용될 연속 공정에 관련 기술을 접목했다.

그 결과, 고체전해질 생산 시간을 대폭 줄이면서도 품질을 높일 수 있었다. 기존 제조법들은 양산화 과정에서 낮은 이온전도도를 보여 문제가 됐었다. 이번에 개발한 공침법을 적용하면 액체전해질의 이온전도도를 넘는 값을 구현할 수 있었다. 해당 고체전해질을 700mAh 용량의 전고체전지 파우치셀에 적용하자 상용 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있었다. 또 전고체전지를 1000회 충·방전하는 실험에서도 80% 이상의 용량을 유지해 안정적인 수명을 보였다.

하윤철 센터장은 “기존 성과는 고체전해질 제조 방식에 공침 기술을 세계 최초로 도입했다는 데에 의의가 있다면, 업그레이드형은 공침법의 원리를 상세하게 분석해 최적화를 실현하고, 더 좋은 결과물도 만들어낸 성과”라며 “전고체전지를 저렴한 비용으로 대량생산하는 시대를 활짝 여는 마중물이 될 것”이라고 밝혔다.

참고 자료

Energy Storage Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103938

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