전기연, 입자 크기 제어하는 공정법 개발
공정서 분쇄 단계 없애 비용 절감
이온 전도 성능도 두 배 이상 높아져

박준우 한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원 연구팀이 ‘입도 제어·습식 합성 공정’ 기술로 만든 전고체전지./전기연

국내 연구진이 폭발과 화재 위험이 없어 차세대 이차전지로 꼽히는 전고체전지 상용화에 필요한 새로운 공정 기술을 개발했다. 기존 공정보다 과정과 비용은 절반이지만, 제품의 품질은 두 배 이상 높아 전고체전지 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다.

박준우 한국전기연구원 차세대전지연구센터 책임연구원 연구팀은 고체전해질을 생산할 때 공정 과정과 비용은 절반 아래로 줄이고, 품질은 두 배 이상 높인 ‘입도 제어·습식 합성 공정’ 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 배터리다. 전해질이 안정적인 덕에 화재와 폭발 위험성이 낮지만, 고체전해질의 입자 크기가 머리카락 굵기의 100분의 1 수준인 ㎛(마이크로미터·1㎛는 100만분의 1m) 단위여야 한다.

고체전해질의 입자 크기가 작아야 하는 탓에 생산공정에 기계적 분쇄 같은 별도의 과정이 필요했다. 분쇄 과정은 고체전해질 생산에서 시간과 비용이 많이 들어가는 단계로 꼽힌다. 또 분쇄된 입자들로 고체전해질의 성능 저하도 일어나 전고체전지의 상용화에 어려움을 겪고 있었다.

연구팀은 단순한 공정만으로 미세하고 이온 전도도가 높은 고체전해질을 대량으로 생산하는 기술을 개발했다. 황화리튬 같은 미세한 원재료가 화학반응 때 보이는 ‘핵 생성’ 현상의 속도를 제어해 입자의 크기를 크게 줄였다. 분쇄처럼 불필요한 과정 없이 간단한 습식 공정으로 미세한 고체전해질을 제조할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

새로운 공정에서 만든 고체전해질은 성능도 우수하다. 연구팀이 만든 고체전해질의 이온 전도도는 1㎝당 4.98mS(밀리지멘스)로, 기존 공정으로 만든 고체전해질의 이온 전도도 2mS보다 두 배 이상 높았다. 연구팀은 앞서 개발한 ‘특수 습식합성법’과 연결해 고체전해질을 저렴하고 대량으로 만드는 기술을 확보할 계획이다. 또 해당 기술에 대한 수요 기업을 찾아 기술이전을 추진한다.

박준우 책임연구원은 “원재료의 적절한 선택과 화학반응의 확실한 제어로 탄생한 연구원만의 단순 공정으로 복잡하고 비싼 공정을 건너뛸 수 있게 됐다”며 “매우 간단해진 공정에도 고체전해질의 품질은 훨씬 뛰어나 상용화를 위한 기업 접근성과 효율성을 모두 확보했다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국전기연구원, 산업통상자원부의 지원을 받았다. 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’ 3월호에 게재됐다.

참고자료

Energy Storage Materials, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103253

조선비즈

송복규 기자 [email protected]