전기연구원, 꿈의 배터리 '전고체전지' 저비용 양산 기술개발

박준우 박사팀, 고체전해질 제조 90% 절감 '특수습식합성법' 성공

기존 리튬이온전지 생산라인 활용 '고체 전해질 최적 함침 기술'도

[창원=뉴시스] 한국전기연구원 차세대전지연구센터 이상민(왼쪽부터) 센터장, 김민주 연구원, 박준우 선임연구원이 자체 개발한 '고체 전해질 용액'을 들고 기념촬영을 하고 있다.(사진=한국전기연구원 제공) [email protected]

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국전기연구원(KERI, 원장 최규하)은 전기차 분야 차세대 전지(꿈의 배터리)로 꼽히는 '전고체전지용 고체 전해질'을 아주 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

이번 개발 기술은 KERI 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 최근 3년간 자체 정부출연금 사업(과제명 고에너지밀도 리튬전고체전지용 고체전해질 기반 원천소재기술 개발, 연구책임자 이상민 차세대전지연구센터장)을 통해 이뤄낸 성과다.

개발한 기술은 두 가지로, ▲전고체전지의 핵심 구성요소인 '고체 전해질'을  현존 가격대비 90% 저렴한 10분의 1 수준 비용으로 제조할 수 있는 '특수 습식합성법' ▲전고체전지의 대량생산을 가능하게 하는 '고체전해질 최적 함침 함침(화학물질을 다른 물질에 침투 혹은 스며들게 하는 과정) 기술'이다.

'전고체전지'는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 기존 가연성의 액체에서 고체로 대체한 전지를 말한다.

고체 전해질을 사용하기 때문에 화재 위험이 없고, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아 전지의 고용량화, 소형화, 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한 차세대 유망 기술로 꼽힌다.

고체 전해질 제조방법은 고에너지 볼밀링 공정을 통한 '건식합성법'과 화학반응을 활용하는 '습식합성법'이 있다.

습식합성법은 건식합성법과 비교했을 때 복잡한 공정 없이 고체 전해질을 대량 생산할 수 있어 많이 활용되고 있지만, 결과물의 이온 전도도가 상대적으로 낮다는 단점이 있다.

이번에 KERI가 독자적으로 개발한 고체전해질 합성법은 낮은 순도의 저렴한 원료(출발물질)로도 성능이 뛰어난 고체 전해질 대량 생산이 가능한 '특수 습식합성법' 기술이다.

[창원=뉴시스] 기존 고체 전해질 제조법과 한국전기연구원(KERI)의 특수 습식합성법 비교.(그림=한국전기연구원 제공)2020.09.08.  [email protected]

연구팀은 최적의 합성을 가능하게 하는 첨가제를 통해 간단한 공정으로 대량 생산이 가능한 습식만의 장점과 함께 높은 이온 전도도를 가진 고체 전해질을 만들 수 있는 건식만의 장점을 모두 확보할 수 있는 제조 공정을 실현했다.

특히, 기존의 고체 전해질 합성법은 건식과 습식에 상관없이 모두 비싼 고순도의 원료를 활용해야 했지만, KERI가 개발한 특수 습식합성법은 저순도 원료로도 기존 고순도 원료 대비 10분의 1 수준 비용으로 높은 이온 전도도를 가진 고성능의 고체 전해질을 대량 생산할 수 있다.

이와 함께, KERI 연구팀은 전고체전지용 양극(+)의 대면적 생산과 생산비용 절감을 가능하게 하는 '고체전해질 최적 함침 기술'도 개발했다. 양극은 전지의 용량을 결정하는 핵심 구성요소 중 하나다.

그동안 전고체전지를 만들기 위해 고체 전해질을 용매에 녹여 전극에 스며들게 하는 방법을 연구해 왔지만, 녹인 용액의 점도가 높아 충분한 양의 고체 전해질 용액이 함침되기 어려웠다.

이에 연구팀은 최적화된 함침 공정 설계를 통해 고체 전해질을 양극에 균일하게 분산하는 기술 개발에 성공했고, 이를 통해 낮은 비율의 고체 전해질만으로도 활물질(리튬이온을 흡수 및 방출하면서 전기를 저장하거나 생성하는 소재)을 많이 포함하여 높은 에너지밀도를 가진 전고체전지용 양극을 제조할 수 있었다.

개발한 기술의 최대 장점은 액체 전해질 기반 리튬이온전지 양극을 제작하던 기존의 생산라인을 거의 그대로 활용할 수 있다는 점이다.

따라서 기존 리튬이온전지 제조사들도 함침 공정파트의 설비 일부만 구축하면, 쉽게 전고체전지를 대량 생산할 수 있게 된다.

[창원=뉴시스] 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀이 개발한 '고체 전해질 최적 함침 기술' 개념도.(그림=한국전기연구원 제공) 2020.09.08.   [email protected]

이러한 연구 결과는 우수성을 인정받아 세계 최고 과학전문지 '네이처' 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 최근 게재됐다.

연구팀은 이번 성과가 전고체전지의 대형화 및 대량 생산이 요구되는 전기차, 전력저장장치(ESS) 등 다양한 분야에 활용될 것으로 보고 기술사업화를 추진하고 있다.

기술에 대한 원천특허 출원은 2019년 완료했으며, 관심 있는 수요업체를 발굴해 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체전지의 상용화를 주도한다는 목표를 갖고 있다.

핵심 개발자인 박준우 박사는 "KERI의 특수 습식합성법은 비싼 원료와 복잡한 고에너지 공정방식이 없어도 높은 수득률(일종의 효율성 지표)로 고체 전해질을 제조할 수 있는 획기적인 제조 기술이고, 함침 기술은 기업에서 비싼 비용을 들일 필요 없이 기존 생산라인을 활용해 쉽고 간단하게 전고체전지를 대량 생산할 수 있는 최적의 공정 기술"이라고 밝혔다.

연구 책임자인 이상민 센터장은 "전고체전지의 가장 핵심이 되는 저가형 고체 전해질 소재에 대한 합성법이 개발돼 그 실현 시기를 앞당길 수 있게 됐다"면서 "현재 산업부 리튬기반 차세대 이차전지 성능 고도화 및 제조기술 개발 사업의 성공 수행에도 큰 기여를 하게 될 것으로 기대한다"고 말했다.


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