제작 비용 10분의 1로…배터리 폭발 위험 대폭 낮춘 '이 기술'

한국표준과학연구원 첨단소재측정그룹, 고체전해질 코팅 신소재 개발

고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅해 전지 폭발 위험을 크게 낮추는 기술을 개발한 표준연 첨단소재측정그룹 연구팀. 연구를 이끈 백승욱 책임연구원(맨 왼쪽). /사진=한국표준과학연구원

국내 연구팀이 기존 비용의 약 10분의 1 수준으로 전고체 전지 폭발 위험을 원천 차단하는 기술을 개발했다.

한국표준과학연구원(이하 표준연)은 첨단소재측정그룹이 박혁준 고려대 신소재공학과 교수팀과 공동으로 고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅해 전지 폭발 위험을 크게 낮추는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 학술지 '머티리얼즈 투데이'에 이달 게재됐다.

전고체 전지는 불이 붙지 않는 고체전해질을 적용한 배터리다. 특히 산화물계 전고체 전지는 에너지 밀도가 높은데다 독성 가스 유출로 인한 위험성도 없어 이차전지 중 '가장 안전한' 전지로 주목받는다.

산화물계 전고체 전지는 주로 '가넷계 고체전해질'을 소재로 쓴다. 가넷계 고체전해질은 이온전도도가 높고 화학적 안정성이 높다는 특징이 있다. 그런데 가넷계 고체전해질로 고성능 전해질막을 만들려면 1000℃(도) 이상의 초고온에서 분말을 압착하는 '소결'(Sintering) 과정을 거쳐야 한다. 이때 고체 전해질막의 핵심 성분인 리튬 원소가 휘발하는 게 문제였다. 리튬이 휘발하면 전해질막의 구조적 안정성이 떨어진다. 화학 조성도 변해 품질도 크게 떨어진다.

표준연이 개발한 고성능 대면적 고체전해질 공정기술을 나타낸 모식도 /사진=한국표준과학연구원

연구팀은 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조 기술로 이 문제를 해결했다. 기존에도 '모분말'(Mother-Powder)이라는 리튬 전해질 소재 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 방식은 있었지만, 일회성으로 버려지는 모분말의 양이 제조되는 전해질막보다 10배 이상 많은 탓에 생산 단가가 높았다. 연구팀은 모분말 대신 리튬계 화합물을 표면에 코팅했다. 형성된 코팅층은 소결 과정에서 리튬 원소를 공급하는 동시에 리튬이 휘발하지 않도록 보호했다. 또 입자 간 결합력을 높여주는 '납땜' 효과를 내 전해질막의 밀도를 극대화했다.

이 기술을 실제 적용한 결과, 연구팀은 값비싼 모분발을 사용하지 않고도 고체 전해질막에서 세계 최고 수준인 98.2% 이상의 밀도를 달성했다. 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상됐다. 전기전도도는 20분의 1 이상 줄어 전지 내부 전류 손실 위험도 크게 낮아졌다. 특히 실험실 수준의 소형 펠릿을 넘어 기존보다 10배 이상 큰 16제곱센티미터(㎠) 규모의 대면적 고체 전해질막을 수율 99.9%로 제조하는 데 성공했다.

백승욱 책임연구원은 "가넷계 고체전해질 연구에서 20년 넘게 해결되지 못했던 소재와 제조 공정상의 난제를 완전히 해결했다"며 "생산 비용을 획기적으로 낮춘 만큼 산화물계 전고체 전지 상용화를 앞당겨 ESS(에너지저장장치)와 전기차 시장의 기술 혁신을 주도할 것"이라고 했다.

김화정 박사후연구원은 "우리나라는 현재 직경 1㎝ 크기에 80만원 이상인 가넷계 고체전해질 펠릿을 전량 수입하고 있다. 이번 기술은 차세대 배터리 소재를 국산화할 계기가 될 것"이라고 했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받았다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr

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