더 빠르고 품질 좋은 전고체전지용 고체전해질 양산 길 열어

한국전기연구원 차세대전지연구센터 하윤철 박사(오른쪽) 연구팀이 더 빠르고 품질 좋은 전고체전지용 황화물계 고체전해질 제조를 위한 '업그레이드형 공침법'을 개발했다.

국내 연구진이 화재나 폭발 위험성이 낮은 '전고제전지'를 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있는 기반기술 개발에 성공했다.

한국전기연구원(KERI·원장 김남균)은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 전고체전지용 황화물계 고체전해질을 더 빠르고 품질 좋게 만드는 '업그레이드형 공침법'을 개발했다고 10일 밝혔다.

연구팀은 2021년 고가 황화리튬(Li2S) 없이 원료를한꺼번에 용기에 넣어 용액 공정으로 고체전해질을 대량으로 제조하는 '공침법'을 제안해 큰 주목을 받은 바 있다. 공침법은 국내 전기전자재료 전문 기업인 대주전자재료에 기술이전됐다.

이후 한국과학기술원(KAIST), 대주전자재료 등과 후속 연구를 진행해 용해·공침 현상 상세 메커니즘을 규명하고 고체전해질 생산 시간 단축과 품질을 획기적으로 개선할 수 있는 업그레이드형 공침법을 개발하기에 이르렀다.

공침법은 원료를 고르게 용액 속에 녹여내고 이를 침전시킨 후 필터로 걸러내는 과정이 핵심이다. 연구팀은 리튬, 황, 촉매를 적정 비율로 혼합해 리튬 용해 정도에 따라 리튬폴리설파이드와 황화리튬이 연속적으로 형성되는 과정을 분석했다.

이를 3원소(Li3PS4 등) 및 4원소(Li6PS5Cl 등) 고체전해질 합성 공정에 적용해 다양한 원료를 빠르고 균질하게 용해·공침하는 기술을 개발했다.

메커니즘 분석은 KAIST 변혜령 교수팀이 맡았다. 리튬 용해 정도에 따라 발생하는 각 중간산물의 화학적 분석을 주도하면서 같은 대학 백무현 교수팀과 포항공과대학교(POSTECH) 서종철 교수팀의 양자 계산 및 음이온 질량 분석의 도움을 받아 정확한 분자 구조를 밝혀냈다. 대주전자재료는 실제 고체전해질 양산에 적용할 연속 공정에 관련 기술을 접목했다.

산·학·연의 꾸준한 협력으로 고체전해질 생산 시간을 기존 14시간에서 4시간으로 대폭 줄일 수 있는 업그레이드형 공침법이 탄생했다.

고체전해질 품질도 향상됨을 확인했다. 기존 제조법은 양산화 과정에서 낮은 이온전도도를 보이는 고질적인 문제가 있었다. 업그레이드형 공침법을 양산화 과정에 적용하면 고체전해질 이온전도도를 액체전해질보다 높일 수 있다. 파우치셀에 적용한 결과 상용 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 달성했고 1000회 충·방전 시에도 80% 이상 용량을 유지했다.

하윤 박사는 “기존 성과가 고체전해질 제조 방식에 공침 기술을 세계 최초로 도입했다는 데에 의의가 있다면 업그레이드 공정은 공침법 원리를 상세하게 분석해 최적화를 실현하고 더 좋은 결과물도 만들어낸 성과”라고 강조했다.

창원=노동균 기자 defrost@etnews.com