차세대 전지로 각광받는 전고체 전지의 안정성을 높이고 공정비용을 낮춰 상용화 가능성을 높이는 전해질 기술이 나왔다. 기존 리튬이차전지의 에너지 밀도를 능가하는 성능으로 전기차의 주행거리를 늘리고, 폭발이나 화재 등의 위험성도 해결할 것으로 기대된다.
한국에너지기술연구원은 장보윤 박사 연구팀이 상온에서 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 '산화물계 복합 고체전해질'을 개발했다고 21일 밝혔다. 모든 구성요소가 고체인 전고체 전지는 고체전해질이 배터리의 특성을 좌우한다. 고체전해질은 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계 등으로 나뉘는데 산화물계 전해질은 안정성이 높고 공정비용이 낮아 기술 선점 경쟁이 치열하다. 하지만, 박형화의 어려움과 쉽게 깨지는 등의 기술적 문제 때문에 황화물계 전해질에 비해 기술개발 속도가 느리고, 고분자 함량이 높아 60도의 높은 온도에서 작동하는 한계가 있다.
연구팀은 기존 산화물계 고체전해질의 함량 한계인 30%를 80%까지 높여 이온전도도와 안정성을 대폭 높였다. 또 고분자를 반복적인 충방전 시 결합이 느슨해지는 것을 방지하는 바인더(첨가제 역할)로 활용해 소재 간 결착력과 안정성을 강화함으로써 롤투롤 공정으로 고체전해질을 제작했다.
산화물 고체전해질이 80% 함유된 중간층과 이온전도성 첨가제를 넣은 고이온전도성 고분자 전해질이 위아래층으로 돼 있는 3층 샌드위치 구조의 복합 고체전해질은 양극과 음극이 맞닿은 부분의 저항을 획기적으로 낮춰 이온전도성을 10배 이상 높여 우수한 성능을 보인다. 복합 고체전해질을 적용한 전고체 전지는 기존 상용 이차전지의 에너지밀도 한계를 뛰어넘는 ㎏당 310Wh을 발휘하고, 전지를 구부리거나 잘라도 안정적으로 작동해 발화나 폭발 문제가 없다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 관련 기술을 에이에스이티에 이전했으며, 2026년 전기차용 전고체 전지 상용화를 목표로 후속 연구를 진행하고 있다.
장보윤 에너지기술연 박사는 "강도가 약해 얇게 만들기 어려운 산화물계 고체전해질의 한계를 극복하고, 리튬이차전지 대비 안전하고 우수한 전고체 전지의 상용화 가능성을 제시했다는 데 의미가 있다"며 "기존 한계를 극복하는 배터리 소재 확보를 통해 전기차 시장의 경쟁력 강화에 기여하겠다"고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
한국에너지기술연구원은 상온에서 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 '산화물계 복합 고체전해질'을 개발했다. 사진은 복합 고체전해질을 적용한 전고체 전지로, 에너지밀도가 높고 유연해 대량 생산 가능성을 높였다.
