우리 연구진이 차세대 이차전지인 전고체배터리용 고성능 고체 전해질막 개발에 성공했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 황화물계 고체 전해질과 고분자 직물 지지체를 활용해 기존 펠릿(압축한 작은 조각) 형태 대비 10배 이상 얇고 에너지밀도는 6배 증가한 고체 전해질막 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 성과는 'ACS 응용 재료·인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재돼 우수성을 입증받았다.
전고체배터리는 배터리의핵심구성요소인 전해질을 기존 액체 형태에서 고체 형태로 대체한 전지다. 가연성 액체 전해질을 고체로 대체해 누출·화재 위험을 방지할 수 있다.
기존 연구에서는 고체 전해질 입자에 압력을 가하거나, 소결 공정을 거쳐 수백 마이크로미터(㎛) 두께 펠릿 형태 제조가 일반적이었다. 하지만 고체 전해질 펠릿은 깨지기 쉬워 이를 적용한 배터리 셀에 유연성을 부여하기 어렵고, 두께가 두꺼워 셀 에너지밀도가 낮다는 한계가 있어 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.
연구진은 이온전도도가 우수한 황화물계 고체 전해질과 강도가 우수한 고분자 직물 지지체를 활용해 얇은 고체 전해질막을 개발했다. 또 대면적화가 용이한 습식공정 기술도 개발했다.
개발 고체 전해질은 기존 펠릿 형태 대비 두께를 10배 이상 줄고 이온전도 특성은 2배 늘었다. 모노 셀(배터리 최소단위) 출력 특성은 20% 향상됐고, 부피당 에너지밀도도 기존 대비 6배가 증가했다.
고온 노출, 고전압 시험 등으로 안정성도 입증했다.
강석훈 ETRI 선임연구원은 “이번 연구로 개발한 고체 전해질막은 배터리 셀 에너지밀도를 획기적으로 높여 전고체배터리 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다”고 말했다.
연구 책임자인 이영기 ETRI 스마트소재연구실장은 “고체 전해질을 얇은 두께와 유연성을 가지는 막 형태로 구현해 기존 펠릿형 전고체배터리의 기술적 한계를 극복하고자 노력했다”고 밝혔다.
ETRI는 추가 이온전도 특성 향상, 분리막 수준 박막화로 기존 전지 셀 제조방식 호환이 가능한 고체 전해질막 연구를 지속할 예정이다.
이번 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원 지원을 받아 '리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발' 연구사업 일환으로 진행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
