차세대 ESS '전고체전지' 상용화 앞당겨...ETRI, 고체전해질막 개발

ETRI 연구진이 롤 형태로 제조한 대면적 고체전해질막을 점검하고 있다.

차세대 에너지저장장치(ESS)로 주목받는 전고체 전지 상용화를 앞당길 핵심 기술이 국내 개발됐다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 고이온전도성 황화물계 고체전해질과 레이저 가공 지지체를 결합해 얇고 유연하면서 대면적 제조가 가능한 고체전해질막을 구현했다고 23일 밝혔다. 이번 성과는 스몰(Small)지에 지난 7월 온라인 게재돼 우수성을 인정받았다.

전고체 전지는 기존 리튬이온전지 액체 전해질을 불연성 고체로 대체한 차세대 전지다. 발화 위험이 낮고, 고에너지밀도 리튬 금속 음극을 사용할 수 있어 저장 에너지가 크다.

다만 수백 마이크로미터(㎛) 두께의 두꺼운 펠렛(고체 시료)형 고체전해질을 사용해 에너지 밀도가 오히려 낮아지는 문제가 있었다. 고체전해질을 얇게 만들면 강도가 낮아 대면적 제조가 어려웠다.

이에 연구진은 레이저로 미세 기공을 형성한 지지체 표면에 고체전해질 슬러리를 코팅하는 방식을 고안했다.

그 결과 27㎛의 얇은 고체전해질막을 구현하면서 기존 대비 13배 이상 인장 강도를 향상시켰다. 더욱이 고분자 필름이나 금속 호일을 지지체로 활용, 기계적 내구성과 이온전도성을 동시에 만족시켰다.

코마 코터를 사용한 대면적 고체전해질막 제조 공정(인쪽), 롤 형태로 제조된 대면적 고체전해질막.

상용 리튬이온전지 제조공정에 쓰이는 코팅 장비 '코마 코터'를 활용해 롤 형태 고체전해질막 제작에도 성공했다. 롤투롤 공정 호환성을 입증, 실제 양산 적용 가능성을 확인했다.

개발한 고체전해질막을 적용한 전고체 전지는 기존 펠렛형 전해질 대비 6배 높은 에너지 밀도를 달성했고, 실온에서도 안정적인 충·방전 사이클 성능을 보였다. 아울러 연구진은 시뮬레이션을 통해 향후 최적화 방향도 제시했다.

연구를 주도한 강석훈 선임연구원은 “이번 성과는 고체전해질막의 기계적 내구성과 이온전도성을 동시 확보해, 전고체 전지 상용화 핵심 과제였던 얇고 유연한 분리막 수준의 고체전해질막 대면적화를 가능하게 했다”고 설명했다.

이영기 스마트소재연구실장도 “실제 배터리 양산 공정에 적용할 수 있는 기반 기술을 마련한 점에서 큰 의미가 있으며, 향후 전극 계면 안정화와 바이폴라 구조 배터리 적용 가능성까지 확장할 수 있을 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 이영기 ETRI 스마트소재연구실장과 이용민 연세대 교수가 교신저자로, 강석훈 ETRI 선임연구원이 제1저자로 참여했다. 산업통상자원부 '리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발'사업, 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 사업 지원으로 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com