한국에너지기술연구원(원장 이창근) 에너지저장연구단 장보윤 박사 연구진이 상온에서도 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 복합 고체전해질을 개발에 성공했다.

모든 구성 요소가 고체 상태인 전고체 전지는 고체전해질의 역할이 배터리의 특성을 좌우한다. 고체전해질 재료는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 구분되며, 산화물계 전해질의 경우 안정성이 높고 공정비용이 낮다는 장점이 있어 활발한 연구가 이뤄지고 있다.

전고체 전지는 리튬이온전지의 화재 위험성을 해소하고 높은 에너지밀도를 제공하는 차세대 배터리 기술로, 시장에서 빠르게 성장하고 있다. Markets and Markets에 따르면, 전고체 전지 시장은 2020년 6,160만 달러에서 2027년까지 약 4억 8,250만 달러로 성장할 것으로 예상된다.

연구진이 개발한 복합 고체전해질은 특수하게 설계된 적층형 고분자-산화물 복합전해질이다. 산화물 고체전해질이 80% 함유된 중간층과 이온전도성 첨가제를 함유한 고이온전도성 고분자 전해질이 위-아래층으로 있는 3층 샌드위치 구조다. 또 고분자를 바인더로 활용해 소재 간 결착력과 안정성을 강화함에 따라 얇게 만들기 어렵다는 단점을 극복해 롤투롤 공정으로도 제작할 수 있다. 

이 복합 고체전해질을 사용한 전고체 전지는 310Wh/kg의 높은 에너지밀도를 보이며, 구부리거나 자르는 극한 상황에서도 전지가 안정적으로 작동되는 우수한 내구성까지 증명했다.

연구진은 샌드위치 구조를 통해 양극과 음극이 맞닿은 부분의 저항은 획기적으로 줄이고, 고함량의 고체전해질은 이온전도성을 10배 이상 향상시켜 우수한 성능을 발현했다. 이에 더해 복합 고체전해질에 적용된 고분자 전해질의 유연한 특성은 강도가 약해 얇게 만들기 어려웠던 산화물계 고체전해질의 한계를 극복하고 대량 양산의 가능성을 열었다.

이 연구는 캐나다 국책연구소인 NRC(캐나다 연방 연구 개발 기관)와의 2년 간의 국제 공동연구를 통해 이루어졌으며, 캐나다의 핵심 광물을 활용한 전고체 전지 기술의 국제협력을 강화해 연구원의 역량 강화는 물론 이를 통해 북미 시장 진출의 중요한 발판이 마련될 것으로 기대된다.

연구책임자인 장보윤 박사는 “황화수소 발생 가능성이 있는 황화물계 고체 전해질의 대기업 중심 개발 추세에서, 출연연 주도로 안전하고 우수한 산화물계 고체 전해질 기술개발과 사업화 가능성을 제시했다는 점에 큰 의의가 있다.”며, “기존 한계를 극복하는 배터리 소재 확보를 통해 전기자동차 시장의 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.”고 말했다.

한편 이 기술은 전고체 전지 2026년 상용화를 목표로하는 에이에스이티㈜(대표 박석정)에 1차 기술이전을 완료했다. 박석정 대표는 “글로벌 업체들이 전고체 전지 기술 상용화를 확대해 나가는 시기에 이러한 기회를 얻게 돼 기쁘게 생각하며, 향후 전고체 전지 기술의 상용화를 위해 개발 협력에 최선을 다하겠다.”고 전했다.