전기연구원 하윤철 박사팀, 세계적 관심 '전고체전지' 실용화 크게 앞당길 것

하윤철 책임연구원이 도포된 슬러리<사진 왼쪽></div>과 슬러리용액을 들고 포즈를 취하고 있다.
하윤철 책임연구원이 도포된 슬러리<사진 왼쪽>과 슬러리용액을 들고 포즈를 취하고 있다.

국내 연구진이 배터리 폭발 사고를 해결할 수 있는 획기적인 기술개발에 성공했다.

한국전기연구원(KERI) 전지연구센터 하윤철 박사(책임연구원)팀은 자체 정부출연금사업을 통해 ‘160℃ 저온에서도 결정화가 가능한 고체전해질 원천기술’과 이를 이용한 ‘슬러리 코팅 방식의 고용량 활물질-고체전해질 복합전극 제조 원천기술’을 개발했다고 18일 밝혔다.

리튬이온전지는 높은 에너지밀도와 출력밀도, 뛰어난 충·방전 효율의 장점으로 스마트폰 등 휴대형 전기·전자기기부터 전기차와 에너지저장장치(ESS)까지 광범위하게 활용되고 있다.

하지만 최근 스마트폰 등 배터리 폭발 사고로 발화와 폭발 위험이 없는 안정화된 ‘전고체전지’에 대한 전 세계적 관심이 높아지는 추세다.

KERI 연구진은 전고체전지 실용화에 가장 큰 걸림돌이었던 활물질-고체전해질 경계에서 높은 저항을 해결하는 기술을 개발했다.

먼저 리튬-인-황화물에 리튬-요오드화합물을 첨가한 고체전해질 합성 공정을 최적화해 160℃의 낮은 결정화 온도에서도 슈퍼이온전도체 특성을 나타내는 ‘유리-결정질(glass-ceramic)의 고체전해질’을 개발했다.

일반적으로 슈퍼이온전도체는 황화물계의 경우 250~450℃에서 열처리하는 과정을 거쳐야 하는데, 연구팀이 개발한 고체전해질은 고분자 바인더나 리튬 금속의 용융(melting) 온도인 180℃보다도 낮은 160℃에서 결정화할 수 있어 바인더나 리튬음극의 손상 없이 전극이나 전지 제조 후 열처리가 가능하다.

연구팀은 이러한 특성을 이용해 슬러리 제조 시에는 비정질 상태의 분쇄된 고체전해질을 혼합하고 전극 제조 후 160℃ 저온 열처리함으로써, 전극 내 고체전해질이 슈퍼이온전도체로 바뀌면서 동시에 고체-고체 계면이 소결되는 새로운 공정을 개발했다.

이러한 소재와 공정 혁신은 복합전극 내 활물질-고체전해질 계면저항을 크게 낮춤과 동시에, 계면의 기계적 내구성도 우수한 전극 제조를 가능하게 하여 전고체전지 실용화를 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다.

하윤철 책임연구원은 “전기차와 에너지저장장치용 이차전지 시장이 본격화됨에 따라, 일본을 비롯한 선진국들은 이미 안전하면서도 에너지 밀도가 높은 전고체전지 관련기술을 선점해 나가고 있다”며 “이번 KERI의 성과는 전고체전지가 가진 계면저항 등의 난제를 해결하고 상용화를 추진할 수 있는 발판을 마련했다는 측면에서 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

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