‘이온전도도·유연성’ 동시에 높인 

전해질막 기술 개발...EV용 전고체 전지 상용화 기대

 산화물계 고체전해질 기반 고성능 자유변형 복합전해질막 연구 개발 

   KBSI-UNIST 공동연구, 재료과학분야 세계적 권위의 저명학술지 

‘Journal of Materials Chemistry A’ 표지 논문 게재

 국내 연구진이 상용화가 가능한 수준의 높은 이온전도성과 유연성을 지닌 산화물 기반 전고체 배터리를 개발했다. 향후 상온 충전이 가능한 장수명 전고체 전지 개발에 활용이 가능해, 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등 산업계에 희소식이 될 것으로 보인다.  

한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 소재분석연구부 김현우 박사, 울산과학기술원(총장 이용훈, 이하 UNIST) 에너지화학공학과 김영식 교수 연구팀이 공동으로 LATP* 고체전해질 기반의 유·무기 복합전해질막을 이용, 고유의 고이온전도성을 유지하면서도 기계적 강도와 유연성을 개선시키는 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

 *LATP : NASICON 결정 구조를 띤 산화물 기반 고체전해질의 대표 소재로, Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 를 말함. 합성의 용이함과 이온전도도 및 수분에 대한 안정성이 우수한 장점이 있음.

에너지밀도가 높은 리튬이온전지는 전기차(EV) 등 다양한 분야에서 에너지 저장장치로 쓰이고 있다. 하지만, 유기 액체전해질 기반의 리튬이온전지는 누액과 열에 의한 화학 반응으로 인해 화재 사고의 위험이 있다. 반면, 전고체 전지는 에너지밀도가 높으면서도, 열적 안정성이 우수한 고체를 전해질로 사용해 안전성을 확보할 수 있어 차세대 이차전지로 평가 받는다.  

전고체 전지에 적용 가능한 무기 고체전해질은 크게 황화물계와 산화물계로 나뉜다. 황화물계 고체전해질은 연질의 기계적 특성과 고체전해질 중에서도 이온전도성이 가장 높은 소재다. 다만, 수분에 불안정해 대기에 노출되면, 유독한 황화수소 가스가 발생하면서 전지 성능이 저하되는 문제가 있다.

한편, 산화물계 고체전해질은 대기 안정성이 우수하고, 상온에서 뛰어난 이온전도도(10-4 S/cm 이상)를 갖고 있어 상용화에 유망한 소재로 주목받고 있다. 그럼에도 산화물계 고체전해질은 고온 열처리 후에도 외력이 가해지면 잘 깨지는 성질이 있어, 얇은 두께의 전해질막 구현이 어려운 단점이 있었다.

그림. (a-c) 희생 템플레이트와 (d-e) 소결된 LATP 세라믹의 전자현미경 이미지_ LATP 고체 전해질이 희생 템플레이트 모양과 동일하며, 

수축된 형태로 디자인 및 합성됨

연구팀이 개발한 기술은 고온에서 완전 소멸해 버리는 카본 재질의 ‘희생 템플레이트’를 이용한 합성법이다. 이 템플레이트는 모양의 변형이 가능해 필요에 따라 원하는 디자인으로 고체전해질막을 만들 수 있다. 이렇게 제작된 LATP 소결체에 기계적 강도와 유연성을 높이기 위한 PEO(Poly ethylene oxide) 계열의 고분자를 첨가해 고이온전도성은 물론, 자유 변형이 가능하면서도 얇은 두께의 유·무기 복합전해질막을 개발했다.

LATP 전구체 용액을 희생 카본 템플레이트에 코팅시킨 뒤, 하소와 소결 공정을 통해 템플레이트 모양에 따라 수축된 형태의 다발성 LATP 소결체를 합성했다. 이후 고분자와 리튬염이 함유된 용액을 결정 구조 내부의 빈 공간에 침투시켜 건조하는 과정을 통해 복합전해질막 기술을 개발할 수 있었다. 테스트 결과, 이 전해질막은 50회 이상의 굽힘 실험에도 기계적 강도는 물론, 상용화가 가능한 수준인 10-4 S/cm 이상의 높은 이온전도도를 유지했다. 

또한, 이 전해질막은 고에너지 셀의 성능을 발휘할 수 있도록 다수의 셀들을 직렬로 연결하는 고전압 적층형 셀 특성을 확보함으로써, 전기차(EV)용으로도 상용화가 가능한 수준의 전고체 전지 개발에의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 

KBSI 김현우 박사 연구팀은 복합전해질막의 설계, 제작, 특성 분석 및 적층형 전고체전지 설계를 수행했고, UNIST 김영식 교수 연구팀은 소재 및 전지의 전기화학적 성능 평가를 담당했다.

본 연구결과는 KBSI 소재분석연구부 운영사업, 산업자원통상부의 에너지기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 재료분야 저명 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’誌[논문명: A flexible and scalable Li-ion conducting film using a sacrificial template for high-voltage all-solid-state batteries, IF= 11.9, KBSI 김현우(제1저자), UNIST 김영식(공동교신저자), 이왕근(공동교신저자)]에 7월 21일 지면 게재됐다. 

KBSI 김현우 박사는 “이번 연구는 희생 템플레이트를 이용, 원하는 형태의 고체전해질을 디자인하면서, 기존 산화물계 소재와 고분자 소재의 장점을 동시에 갖는 복합전해질막에 대한 원천기술을 확보한 점에서 의미가 크다”며, “앞으로도 현재 수준을 뛰어넘는 고성능의 전고체 전지가 만들어 질 수 있도록 여러 종류의 고체전해질을 조합하거나 최적 조건의 복합소재 디자인 개량에 대한 후속 연구를 이어 나갈 것”이라고 전했다.