KETI, 첨가제 기술로 전고체전지 제조 공정 경제성 확보

해외 공동연구로 대기 안정성 높인 고용량 전극 기술 개발

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 전고체전지의 핵심 소재인 황화물 고체전해질의 대기 안정성을 향상하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 개발성과는 국제 저명 학술지 최신호에 실렸다.

KETI 차세대전지연구센터 조우석 박사팀(수석연구원)은 호주 연구중심 공립대학인 울런공대(김정호 교수 연구팀), 경희대(박민식 교수 연구팀)와 해외 공동연구를 통해 황화물 고체전해질 내 특수 나노입자를 소량 첨가해 대기 노출 시에도 유해가스 발생량을 획기적으로 감소시켰다.

KETI 관계자는 “황화물 고체전해질 기반 전고체전지는 전기자동차 등 대면적·고용량 전지 제조에 적합해 글로벌기업을 중심으로 기술 상용화를 위한 R&D 경쟁이 치열하지만 대기 중 수분에 취약해 유해가스인 황화수소가 발생한다는 단점이 있다”며 “이 때문에 전지 성능이 저하될 수 있어 수분이 극도로 제어된 드라이룸 등 고비용 시설에서 공정을 진행해야 하는 어려움이 있었다”고 설명했다.

ZIF-8이 첨가된 건식전극 모식도

건식전극 및 수명 평가결과

연구진은 금속 유기 골격체(MOFs) 일종인 ZIF-8(Zeolitic imidazolate FRAMEwork-8) 입자가 수분과 황화수소 가스를 동시에 흡착하는 특성을 활용해 대기 노출시 황화물 고체전해질에서 발생하는 황화수소 가스 발생량을 90% 감소시켰고 이온전도도 하락도 25% 수준으로 억제했다.

연구진은 ZIF-8 첨가제를 기반으로 로딩(단위면적 당 전극 활물질의 양) 40mg/cm2의 건식 전극을 특수 드라이룸이 아닌 일반 대기 환경에서 제조하고 전극 용량 7.3mAh/cm2(리튬이온전지 2배 수준)의 전지를 상온 100회 충·방전 테스트를 진행한 결과, 98.4%의 수명 유지율을 확보하는 등 고체전해질의 대기 안정성을 극대화했다.

연구 개발을 주도한 조우석 박사에 따르면 기술 적용을 통해 운용 비용이 저렴한 일반 드라이룸 혹은 유사 환경에서의 전극 제조가 가능해졌기 때문에, 앞으로 공정 가격 저감에 기여해 전고체전지 상용화를 앞당길 전망이다.

산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원 지원으로 추진된 이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지인 ACS Nano(IF=18.027) 최신호에 ‘수분 흡수재로 강화된 전고체전지용 건식 전극’의 제목으로 게재됐다.

유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI는 전고체전지 소재와 전극 요소 기술 뿐만 아니라 전지 제조 기술까지 차세대전지 분야 폭넓은 연구를 진행하고 있다”며 “전고체전지 분야 국내 핵심 연구기관으로서 차세대전지 상용화 연구에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.