 극한상황에서도 안정성 높인 전고체 전지 복합 고체전해질 국내 최초 개발 성공 전기자동차 보급 확대로 인해 주행거리 향상, 화재 위험성 제거 등 다양한 이차전지의 기술적 이슈 대두되고 있다. 자동차 업계에서 주목하는 차세대 꿈의 배터리 전고체 전지 기술 선점을 위한 경쟁이 치열하다. 폭발적으로 성장해온 리튬이온전지의 발목을 잡는 화재 위험성을 해소하고 높은 에너지밀도를 통해 전기 자동차의 주행거리의 족쇄를 풀어줄 해법이기 때문이다. 모든 구성 요소가 고체 상태인 전고체 전지는 고체 전해질의 역할이 배터리의 특성을 좌우한다. 고체 전해질 재료는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 구분되며, 산화물계 전해질의 경우 안정성이 높고 공정비용이 낮다는 장점이 있어 활발한 연구가 이뤄지고 있다.
정리 편집부 자료 한국에너지기술연구원
현재 사용되고 있는 리튬이차전지의 에너지밀도 한계극복 및 화재의 원인이 되는 액체 전해질을 대체하는 기술이 필요하다. ‘국가 12대 전략기술’ 중 하나인 이차전지 분야 기술로서 국가 기술 주권을 확보하기 위한 중요한 분야이다. 기존 황화물 기반 전고체 전지는 황화가스 발생과 높은 공정비용으로 상용화에 어려움이 있다.
박형화 가능 구조와 복합 고체 전해질 제작 반면에 산화물계 전고체 전지는 높은 안정성과 상대적으로 낮은 공정비용의 장점으로 관련 기술이 활발하게 연구되고 있다. 하지만, 박형(Thin)화의 어려움과 쉽게 깨지는 취성1) 등의 기술적 한계로 황화물에 비해 개발 속도가 느리다. 한계극복을 위한 다양한 연구들이 진행되고 있으나, 고분자의 함량이 높아 60 ℃의 높은 작동온도가 필요하다는 한계가 존재한다. 이 기술은 산화물의 함량을 극대화하여 상온에서 작동하며, 박형화가 가능한 구조 및 공정성을 가진 복합 고체 전해질 제작 및 이를 활용한 전고체 전지 기술이다.
모든 구성 요소가 고체 상태인 전고체 전지는 고체전해질의 역할이 배터리의 특성을 좌우한다. 고체전해질 재료는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 구분되며, 산화물계 전해질의 경우 안정성이 높고 공정비용이 낮다는 장점이 있어 활발한 연구가 이뤄지고 있다.
한국에너지기술연구원 에너지저장연구단 장보윤 박사 연구진이 상온에서도 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 복합 고체전해질2)을 개발에 성공했다. 복합 고체전해질을 적용한 전고체 전지는 310 Wh/kg의 높은 에너지밀도 성능을 보였으며, 구부리거나 자르는 극한 상황에서도 전지가 안정적으로 작동되는 우수한 내구성까지 증명했다.
연구진의 이번 연구 결과는 캐나다 국책연구소인 NRC3)와의 2년간의 국제 공동연구를 통한 결과로, 캐나다의 핵심 광물을 활용한 전고체 전지 기술의 국제협력을 강화해 연구원의 역량 강화는 물론 이를 통해 북미 시장 진출의 중요한 발판이 마련될 것으로 기대된다.
연구진이 개발한 복합 고체전해질은 국내 최초로 기존 산화물계 고체전해질의 함량 한계인 30 %를 80 %까지 높여 이온전도성과 안정성을 대폭 끌어올렸다. 또 고분자를 바인더4)로 활용해 소재 간 결착력과 안정성을 강화함에 따라 얇게 만들기 어렵다는 단점을 극복해 롤투롤 공정5)으로도 제작할 수 있다. 연구진이 개발한 복합 고체전해질은 특수하게 설계된 적층형 고분자-산화물 복합전해질이다. 산화물 고체전해질이 80 % 함유된 중간층과 이온전도성 첨가제를 함유한 고이온전도성 고분자 전해질이 위-아래층으로 있는 3층 샌드위치 구조다.
연구진은 샌드위치 구조를 통해 양극과 음극이 맞닿은 부분의 저항은 획기적으로 줄이고, 고함량의 고체전해질은 이온전도성을 10배 이상 향상시켜 우수한 성능을 발현했다. 이에 더해 복합 고체전해질에 적용된 고분자 전해질의 유연한 특성은 강도가 약해 얇게 만들기 어려웠던 산화물계 고체전해질의 한계를 극복하고 대량 양산의 가능성을 열었다. 복합 고체전해질을 적용한 전고체 전지는 기존 상용이차전지의 에너지밀도 한계(300 Wh/kg)를 뛰어넘는 성능(310 Wh/kg)을 나타냈다. 또 전지를 구부리거나 잘라도 안정적으로 구동돼 발화나 폭발 문제가 일어나지 않는 것을 확인했다.
샌드위치구조의 복합고체전해질은 산화물 고체전해질이 80 % 함유된 중간층과 이온전도성 첨가제를 함유한 고이온전도성 고분자 전해질이 위/아래층으로 있는 3층 샌드위치 구조로 구성된다.
롤투롤 고정으로 인한 연속 공정으로 복합고체전해질 제조 갈륨이 도핑 된 고이온전도성 산화물 고체전해질이 80 % 함유되고, 고이온전도성 고분자 전해질을 샌드위치 형태로 적층하여 상온에서도 높은 이온전도 특성을 (1 mS/cm) 가진 복합 고체전해질을 제작했다. 파일럿 스케일 규모의 공정을 확보하여, 롤투롤 고정으로 수십 m 단위의 연속 공정으로 복합고체전해질 제조했다. 제작된 복합고체전해질을 적용하여 310 Wh/kg급 고에너지밀도 전고체 전지를 제작했다. 특히, 외부 가혹 환경 하에서 (구부림/자름) 동작 가능하고, 폭발/발화 등이 발생하지 않는 안전성을 확보했다.
소재 개발 이후 기술 이전해 갈륨이 도핑 된 고이온전도성 산화물 고체전해질이 80 % 함유되고, 고이온전도성 고분자 전해질을 샌드위치 형태로 적층하여 상온에서도 높은 이온전도 특성을 (1 mS/cm) 가진 복합 고체전해질을 제작했다. 파일럿 스케일 규모의 공정을 확보하여, 롤투롤 고정으로 수십 m 단위의 연속 공정으로 복합전해질 제조했다. 제작된 복합고체전해질을 적용하여 310 Wh/kg급 고에너지밀도 전고체 전지를 제작했다. 특히, 외부 가혹 환경하에서 (구부림/자름) 동작 가능하고, 폭발/발화 등이 발생하지 않는 고 안전성을 확보했다. 전고체 전지 제작 스타트업인 에이에스이티㈜에 1차 기술 이전을 완료했다.
연구자와의 인터뷰 연구배경과 동기는 전기자동차 보급 확대로 인해 주행거리 향상 및 화재위험성 제거 등 다양한 이차전지의 기술적 이슈 대두되었다. 이를 위해서는 현재 사용되고 있는 리튬이차전지의 에너지밀도 한계극복 및 화재의 원인이 되는 액체 전해질을 대체하는 기술이 필요했다. 산화물계 전고체 전지는 높은 안정성과 상대적으로 낮은 공정비용의 장점으로 관련 기술이 활발하게 연구되고 있다. 하지만 박형화의 어려움과 쉽게 깨지는 취성 등의 기술적 한계로 황화물에 비해 개발속도가 느리며, 한계 극복을 위한 다양한 연구들이 진행되고 있으나, 고분자의 함량이 높아 60 oC의 높은 작동온도가 필요하다는 한계 존재했다.
기술의 차별성은 기존 기술은 황화물계 고체전해질은 이온전도성은 높으나 공기 중에서 황화수소 가스 발생 확률이 있어 안전성이 취약했다. 고분자 고체전해질은 공정성은 우수하나 상온에서의 이온전도성이 낮고, 기계적 강도가 약해 리튬 덴드라이트 성장 억제에 취약하다.
산화물 고체 전해질은 이온전도성과 공기 중 안전성이 높으나, 딱딱한 성질 때문에 롤투롤 공정으로 제조하기 어렵다. 산화물 기반 복합고체전해질은 샌드위치 구조의 특수성과 산화물 고체전해질의 높은 이온전도성 및 기계적 강도, 고분자 전해질의 공정성의 장점을 극대화 시킨 소재이다. 양극과 음극과의 접촉면에서 저항을 낮출 수 있고, 높은 이온전도 특성으로 상용 이차전지의 성능과 유사하다. 전고체전지의 특성으로 높은 에너지 밀도 및 안전성을 구현하는데 탁월하다.
기술의 응용분야는 화재 위험성이 낮은 상온 구동형 전기 자동차용 배터리, 신재생에너지 연계를 위한 대용량 전력저장장치, 안정성이 필수적인 인체 적용 배터리이다.
전기자동차 업계 차별화된 전지 제공 가능해져 기존 한계를 극복하는 배터리 소재 확보를 통한 전기자동차 시장의 차별화된 전지를 제공했다. 배터리 소재 분야의 새로운 산업 성장 및 국제 경쟁력을 확보했다.
1) 취성 : 탄성 한계 이내의 충격 하중을 받을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 아니하고 급작스럽게 파괴되는 현상을 말한다. 2) 복합 고체전해질 : 고체전해질을 단독으로 사용하지 않고, 두 가지 이상의 고체 전해질 소재를 혼합해 고체전해질 각각의 단점을 보완하여 성능을 향상시킨 고체 전해질 소재이다. 3) 캐나다 연방 연구 개발 기관(National Research Council of Canada, NRC) : 캐나다 최대 연방 연구개발 기관으로 캐나다 전역 22개 지역에, 5개 사업부, 14개 연구 센터가 설치되어 있으며, 직원 수는 4,262명, 969개의 R&D 프로그램을 운영 중이다. (2021년 기준). 4) 바인더 : 전극 구성 물질을 혼합한 슬러리를 전자가 이동하는 집전체에 균일하게 도포할 수 있도록 하는 접착제의 역할을 하며 충/방전이 반복적으로 진행될 때 결합이 느슨해지는 것을 방지한다. 5) 롤투롤 공정 : 플라스틱 필름이나 금속 호일 롤에 유연하고 큰 표면의 필름을 연속적으로 생산하는 방법. 대량생산에 적합하며 연속적인 생산 과정으로 인해 높은 효율성을 가진다.
<Energy News>
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