산화물계 복합 전해질 소재 개발···불 안 나는 전고체 전지 에너지 밀도 향상

에기연, 상온서 높은 이온전도성 갖는 전고체 전지용 복합 고체전해질 개발

산화물계 소재 함량을 크게 높인 복합 고체 전해질을 활용, 기존 이차전지의 에너지 밀도를 넘긴 전고체 전지가 개발됐다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 상온에서도 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 복합 고체전해질을 개발했다고 21일 밝혔다.

고성능 산화물 기반 전고체 전지 개발 연구팀(앞줄 왼쪽 김대일 책임연구원, 오른쪽 장보윤 책임연구원) (사진=에기연)

에너지저장연구단 장보윤 박사 연구진은 산화물계 고체전해질 함량을 기존 한계였던 30%에서 80%까지 높여 이온전도성과 안정성을 끌어올렸다. 또 고분자를 바인더로 활용해 소재 간 결착력과 안정성을 강화, 얇게 만들기 어렵다는 산화물계 전해질의 단점을 극복했다. 이에 따라 제작에 롤투롤 공정을 적용할 있게 됐다.

이 전해질을 적용한 전고체 전지는 310Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 보였으며, 구부리거나 자르는 극한 상황에서도 안정적으로 작동했다.

전고체 전지의 고체전해질 소재로는 황화물계와 산화물계, 고분자계 등이 쓰인다. 산화물계는 안정성이 높고 공정비용이 낮지만, 얇게 만들기 어렵고 쉽게 깨지는 등의 문제가 있다. 

연구진은 산화물 고체전해질이 80% 함유된 중간층과 이온전도성 첨가제를 함유한 고이온전도성 고분자 전해질이 위아래층으로 있는 샌드위치 구조의 복합 고체전해질을 개발했다.

연구진이 개발한 고체전해질 기술의 개념도 (사진=에기연)

이같은 샌드위치 구조를 통해 양극과 음극이 맞닿은 부분의 저항은 줄이고, 함량이 높은 고체전해질은 이온전도성을 10배 이상 향상시켰다. 또 복합 고체전해질에 적용된 고분자 전해질로 유연한 특성을 구현, 강도가 약해 얇게 만들기 어려웠던 산화물계 고체전해질의 한계를 극복하고 대량 양산 가능성을 열었다고 연구진은 설명했다.

장보윤 박사는 "대기업이 황화수소 발생 가능성이 있는 황화물계 고체 전해질 중심으로 개발하는 추세에서, 출연연 주도로 안전하고 우수한 산화물계 고체 전해질 기술 개발과 사업화 가능성을 제시했다는 점에 의의가 있다"라며 "기존 한계를 극복하는 배터리 소재 확보를 통해 전기자동차 시장의 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다"라고 말했다.

이 기술은 전고체 전지 스타트업 에이에스이티(대표 박석정)에 1차 기술이전을 완료했다. 이 회사는 2026년 전기자동차용 전고체 전지 상용화를 목표로 하고 있다.

이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 기술이전 1건과 특허 등록과 출원 12건, SCI급 학술지 4건 게재 등의 성과를 달성했다.