가성비 좋은 전고체전지 만든다…생산비용 확 줄인 ‘고체전해질막’ 개발

표준연, 산화물계 고체전해질막 핵심소재 개발
고체전해질 분말 표면에 리튬 얇게 입혀..고밀도 구현
이온전도도 2배 향상, 대면적 고체전해질막 제조

산화물계 고체전해질막 을 개발한 표준연 연구진. 표준연 제공.

화재나 폭발 위험이 낮은 차세대 배터리인 '전고체전지'를 저비용으로 대량 생산할 수 있는 핵심 소재와 설계 기술이 국내 대학과 공공연구기관에서 개발됐다.

생산 비용은 획기적으로 낮추면서 성능과 안전은 높여 전고체전지 상용화를 앞당겨 시장 선점을 위한 발판을 마련했다는 평가가 나온다.

한국표준과학연구원은 백승욱 박사 연구팀이 고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅하는 방식을 적용해 기존 생산 비용의 10분 1 수준으로 줄인 '대면적 고체전해질막'을 개발했다고 7일 밝혔다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 적용해 리튬이온 배터리와 달리 폭발과 화재 위험이 없다. 그 중 산화물계 전고체전지는 에너지 밀도가 높고, 황화물계와 달리 독성 가스 유출로 인한 위험성도 없어 가장 안전한 궁극의 차세대 배터리로 주목받고 있다.

산화물계 전고체전지는 주로 가넷계 고체전해질을 사용한다. 가넷계 고체전해질은 이온전도도와 화학적 안정성이 뛰어나지만 1000℃ 이상의 초고온 소결 공정에서 고체전해질막의 핵심 성분인 리튬 원소가 휘발돼 대면적·고품질 전해질막 제조가 어렵다.

표준연이 개발한 고성능 대면적 고체전해질 공정 기술 모식도. 표준연 제공.

이를 보완하기 위해 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 '모분말' 방식을 사용해 왔지만, 생산 단가가 높아 상용화의 걸림돌이 돼 왔다.

연구팀은 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조기술을 개발했다. 이 기술을 적용해 고가의 모분말을 전혀 사용하지 않고 세계 최고 수준인 98.2% 이상의 밀도를 달성했으며, 이온전도도가 기존 대비 2배 이상 향상된 고체전해질막을 제조했다.

고체전해질막의 전기전도도를 20배 이상 줄여 전지 내부 전류 손실 위험을 크게 낮춰 전고체전지의 효율과 안정성을 높였다. 연구팀은 기존보다 10배 이상 큰 16㎠ 규모의 대면적 고체전해질막을 99.9% 수율로 제조하는 데도 성공했다.

백 연구원은 "생산 비용을 획기적으로 낮춰 산화물계 전고체전지 상용화를 크게 앞당겨 에너지저장장치(ESS)와 전기차 시장의 기술 혁신을 주도할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '머터리얼즈 투데이' 1월호에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr