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한국전기연구원(KERI, 원장 최규하)은 차세대 전지로 꼽히는 全고체전지의 고체전해질 재료를 지금보다 90% 이상 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다고 8일 발표했음.

KERI 차세대전지연구센터 박준우 박사팀은 지금까지 연구된 황화물 고체전해질 합성 방법의 비싼 원재료 비용을 10분의 1 수준으로 낮출 수 있는 새로운 '특수 습식합성법'을 개발했다고 밝혔음.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 액체에서 고체로 대체한 전지임. 고체 전해질을 사용하기 때문에 화재의 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 손꼽힘.

고체 전해질을 제조하는 방법은 고에너지 볼밀링 공정을 통한 ‘건식합성법’과 화학반응을 활용하는 ‘습식합성법’이 있음. 습식합성법은 건식합성법과 비교했을 때, 복잡한 공정 없이 고체 전해질을 대량으로 생산할 수 있어 많이 활용되고 있지만, 합성된 전해질의 이온 전도도가 상대적으로 낮다는 단점이 있음.

KERI 연구팀이 이번에 개발한 기술은 낮은 순도의 저렴한 원료(출발물질)로도 성능이 뛰어난 고체 전해질을 대량생산할 수 있는 ‘특수 습식합성법’ 임.

박준우 박사는 "기존에는 99.8%이상의 고순도 출발물질을 사용해야 했지만 이번에 개발한 합성법은 98% 수준의 저순도 재료로도 동일한 성능을 낼 수 있다. 출발물질 가격을 10분의 1로 낮출 수 있게 된 것"이라고 설명했음.

연구팀은 이번 연구에서 최적의 합성을 가능하게 하는 첨가제를 개발해 문제를 해결했음. 이를 통해 간단한 공정으로 대량생산이 가능한 습식의 장점과, 높은 이온 전도도를 가진 고체 전해질을 만들 수 있는 건식의 장점을 모두 확보할 수 있는 제조 공정을 실현했음.

세계적으로 고체 전해질은 크게 산화물계와 황화물계로 연구가 이루어지고 있음. 이번에 개발한 합성법은 황화물 전해질을 대상으로 한 것임.

KERI는 이와 함께 전고체전지 양극의 대면적 생산과 생산비용 절감을 가능하게 하는 ‘고체전해질 최적 함침 기술’도 개발했다고 밝혔음. 그동안 전고체전지를 만들기 위해 고체 전해질을 용매에 녹여 전극에 스며들게 하는 방법을 연구해 왔지만, 녹인 용액의 점도가 높아 충분한 양의 고체 전해질 용액이 함침되기 어려웠음. 이에 연구팀은 최적화된 함침 공정 설계를 통해 고체 전해질을 양극에 균일하게 분산하는 기술을 개발하는데 성공했고, 이를 통해 낮은 비율의 고체 전해질만으로도 활물질을 많이 포함해 높은 에너지밀도를 가진 전고체전지용 양극을 제조할 수 있었음.

한편 전고체전지는 전세계 배터리 기업들이 차세대 기술로 주목하면서 열띤 개발경쟁이 펼쳐지고 있는 상황이어서 빠르면 2025년에는 전기차용 배터리에 탑재될 것으로 전망되고 있음.

박준우 박사는 이번 연구가 전고체전지 상용화로 가는 길목의 장애물 가운데 '비싼 고체전해질 재료'라는 중요한 한 가지 문제를 해결한 것이라고 밝혔음.

이상민 전기硏 차세대전지연구센터장은 “전고체전지의 가장 핵심이 되는 저가형 고체 전해질 소재에 대한 합성법이 개발돼 그 실현 시기를 앞당길 수 있게 됐다”며 “현재 산업부 리튬기반 차세대 이차전지 성능 고도화 및 제조 기술 개발 사업의 성공 수행에도 큰 기여를 하게 될 것으로 기대한다”고 밝혔음.

연구팀은 이번 성과가 전고체전지의 대형화 및 대량생산이 요구되는 전기차, 전력저장장치(ESS) 등 다양한 분야에 활용될 것으로 보고 기술사업화를 추진하고 있음. 원천특허 출원을 2019년에 완료하고, 관심 있는 수요업체를 발굴해 전고체전지의 상용화를 주도한다는 목표임.