국내 연구진이 차세대 이차전지(배터리)로 주목받고 있는 전고체 배터리를 위한 고체 전해질막 개발에 성공했다. 

한국전자통신연구원(ETRI)은 황화물계 고체 전해질과 고분자 직물 지지체를 활용해 기존 펠릿 형태 대비 10배 이상 얇고 전력밀도는 6배 늘린 고체 전해질막 개발에 성공했다고 18일 밝혔다. 

전고체 배터리는 배터리의 핵심 구성요소인 전해질을 기존 액체 형태에서 고체 형태로 대체한 이차전지다. 액체 전해질을 고체로 대체해 누출·화재로 인한 위험성을 방지할 수 있어 주목받고 있다.

전고체 배터리 관련해 기존 연구에서는 고체 전해질 입자에 압력을 가하거나 소결하는 공정을 거쳐 수백 마이크로미터(μm) 두께의 펠릿 형태로 제조했다. 

허나 고체 전해질 펠릿은 깨지기 쉬운 성질로 이를 적용한 배터리 셀에 유연성을 부여하기 어렵고, 두께가 두꺼워져 셀의 전력밀도가 오히려 낮아지는 한계가 있어 상용화에 어려움이 있었다.

ETRI 연구진은 우수한 이온전도도를 갖는 황화물계 고체 전해질과 기계적 강도가 우수한 고분자 직물 지지체를 활용하여 얇은 고체 전해질막을 개발했다. 대면적화가 용이한 습식공정 기술을 통해 우수한 성능과 동기에 기계적 강도 및 유연성도 확보했다고 연구진은 전했다.

이번에 개발한 고체 전해질은 기존 펠릿 형태의 고체 전해질 대비 두께가 10배 이상 감소하고 이온전도 특성은 2배 증가했다. 

ETRI 연구진은 “고체 전해질이 적용된 모노 셀의 출력 특성은 20% 향상됐고 부피당 에너지밀도도 기존 대비 6배가 늘었다”며 “고온 노출 시험과 고전압 시험 등을 통해 안정성도 실험으로 입증된 상태”라고 밝혔다.

ETRI는 높은 용량을 가지면서도 다양한 형태로 유연하게 다변화할 수 있는 차세대 전고체 배터리 상용화에 기여할 것으로 기대했다.

연구를 주도한 ETRI 강석훈 선임연구원은 “그간 고체 전해질을 최종 셀에 적용하는 데에 공정적 한계가 있었으나 이번 연구에서 개발한 고체 전해질막은 적용된 배터리 셀의 에너지밀도를 획기적으로 높여 전고체 배터리의 상용화 가능성을 크게 높일 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 책임자인 ETRI 이영기 스마트소재연구실장은 “기존의 딱딱하고 두껍고 작은 면적의 펠릿형 또는 두꺼운 시트형 고체 전해질을 얇은 두께와 유연성을 가지는 막 형태로 구현함으로써 기존 펠릿형 전고체 배터리의 기술적 한계를 극복하고자 노력했다”고 밝혔다.

산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 ‘리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발’ 연구사업의 일환으로 진행된 이번 연구결과는 세계적인 학술지 ‘ACS 응용 재료·인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 게재됐다.