다기능성 화합물 코팅 방식 적용해 기존 생산비용의 10분의 1 수준으로 낮춰

한국표준과학연구원(KRSS, 원장 이호성)은 화재와 폭발 위험을 원천 차단한 차세대 배터리인 ‘전고체전지’의 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술을 개발했다.

KRISS 첨단소재측정그룹은 고체전해질 분말에 다기능성 화합물을 코팅하는 방식을 적용해 기존 생산비용의 10분의 1 수준으로 초고밀도의 대면적 고체전해질막을 구현하는 데 성공했다.

현재 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 쓰이는 리튬이온 이차전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재와 폭발에 취약하고, 한 번 불이 붙으면 진압이 어렵다. 최근 국가정보자원관리원 화재와 전기자동차 배터리의 폭발 사고가 잇따르며 안전한 리튬전지 개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 적용한 배터리다. 그중 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 소재로 활용한다. 가넷계 고체전해질은 뛰어난 이온전도도와 화학적 안정성을 갖추었으나, 소재의 특성상 고성능 전해질막을 만들기 위해서는 1000 °C 이상의 초고온에서 분말을 압착하는 소결(Sintering) 과정을 거쳐야 한다.

문제는 소결 과정에서 고체전해질막의 핵심 성분인 리튬 원소가 휘발된다는 점이다. 이 때문에 전해질막의 구조적 안정성이 떨어져 대면적 제조가 어렵고 화학 조성 변화로 이온전도도, 계면 저항 등의 품질 또한 크게 저하된다.

이를 막기 위해 기존에는 모분말(Mother-Powder)이라는 대량의 리튬전해질 소재로 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 소결 후 일회성으로 버려지는 모분말의 양이 제조하는 전해질막보다 10배 이상 많아 생산 단가가 높고 상용화에 어려움이 있었다.

연구진은 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조 기술을 개발해 이 문제를 완전히 해결했다. 표면에 형성된 코팅층은 소결 과정에서 리튬 원소를 공급하는 동시에 리튬이 휘발하지 않도록 보호하고, 입자 간 결합력을 높여주는 납땜(Soldering) 효과를 내어 전해질막의 밀도를 극대화한다.

연구진은 실제 이번 기술을 적용해 고가의 모분말을 전혀 사용하지 않고도 세계 최고 수준인 98.2% 이상의 밀도를 달성했으며, 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상된 화학적·기계적 결함이 없는 고강도의 고체전해질 막을 제조했다. 또한 해당 고체전해질 막의 전기전도도를 20배 이상 감소시켜 전지 내부 전류 손실 위험을 크게 낮췄으며 이를 통해 전고체전지의 효율과 안정성을 동시에 강화했다.

특히 연구진은 실험실 수준의 소형 펠릿을 넘어 기존보다 10배 이상 큰 16 cm2 규모의 대면적 고체전해질 막을 수율 99.9%로 제조하는 데에도 성공했다.

KRISS 첨단소재측정그룹 백승욱 책임연구원은 “이번 성과는 가넷계 고체전해질 연구에서 20년 넘게 해결되지 못했던 소재와 제조 공정상의 난제를 완전히 해결한 것”이라며 “생산 비용을 획기적으로 낮춘 만큼 산화물계 전고체전지 상용화를 크게 앞당겨 ESS와 전기차 시장의 기술 혁신을 주도하겠다”고 말했다.

첨단소재측정그룹 김화정 박사후연구원은 “현재 우리나라는 직경 1 cm 크기에 80만원 이상인 가넷계 고체전해질 펠릿을 전량 수입하고 있는 상황”이라며 “이번 기술 개발은 고부가가치의 차세대 배터리 소재의 국산화를 여는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.