화재 위험 적은 전고체전지 상용화 앞당길 고체전해질막 개발

ETRI

ETRI 연구팀이 롤 형태로 제작된 대면적 고체전해질막께를 정밀 측정하는 모습. ETRI 제공.

국내 연구팀이 화재 위험이 적어 차세대 배터리로 주목받는 전고체 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 고체전해질막을 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 이영기 스마트소재연구실장 연구팀이 고이온전도성 황화물계(황을 포함하는 화합물 기반) 고체전해질과 레이저 가공 지지체(scaffold)를 결합해 얇고 유연하면서도 대면적 제조가 가능한 고체전해질막을 구현했다고 23일 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 '스몰(Small)'에 게재됐다. 

전고체 전지는 기존 리튬이온전지에서 쓰던 액체 대신 고체 물질을 넣은 차세대 전지다. 폭발 위험이 낮아 안전성이 높고 고에너지 밀도의 리튬 금속 음극을 활용할 수 있어 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 

기존 연구에서는 수백 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 두께의 두꺼운 펠렛형 전해질을 사용해 오히려 에너지 밀도가 낮았다. 반대로 전해질을 얇게 만들면 기계적 강도가 떨어져 커다란 크기로 만들기 어려웠다.

연구팀은 레이저로 미세 기공을 형성한 지지체 표면에 고체전해질 슬러리를 코팅하는 방식을 개발했다. 그 결과 두께 27마이크로미터 수준의 얇은 고체전해질막을 확보하면서도 기존 형태보다 13배 이상 향상된 인장 강도를 달성했다. 연구팀은 "새로운 방식을 적용해 기계적 내구성과 이온전도성을 동시에 높였다"고 말했다.  

또 상용 리튬이온전지 제조공정에 쓰이는 '코마 코터(comma coater)'를 활용해 롤 형태의 고체전해질막 제작에도 성공했다. 이를 통해 둘둘 마는 것처럼 연속 인쇄하는 '롤투롤(Roll-to-Roll) 공정'과의 호환성을 입증해 대면적 제조 가능성도 보였다.

실험 결과 이번에 개발된 고체전해질막을 적용한 전고체 전지는 기존 펠렛형 전해질 대비 6배 높은 에너지 밀도를 달성했으며 실온에서도 안정적인 충·방전 성능을 보였다.

이영기 E실장은 “실제 배터리 양산 공정에 적용할 수 있는 기반 기술을 마련한 점에서 의미가 크다"고 말했다. 

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/smll.202502996

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]