한국전자통신연구원(ETRI)이 기계적 전단(힘을 가함) 시 쉽게 섬유화가 되는 바인더 소재를 기반으로 용매의 사용 없이 고체전해질 분말과 혼합공정을 통해 분리막을 개발했다고 전했다.

안전성이 높아 차세대 리튬이차전지로 알려진 전고체 이차전지(배터리)용 핵심기술 개발에 성공한 것이다.

차세대 이차전지로 각광받는 전고체 배터리는 전지 내 이온전달을 위한 매개체를 액체상에서 고체상 소재로 바꾸면서 발화, 폭발, 누액 등 위험성을 원천적으로 차단해 안전성을 현저히 높였다.

전고체 배터리에 있어 핵심소재는 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막아주면서 이온을 전달하는 고체전해질막으로, 기존 리튬이온전지에서 액체전해질과 분리막 역할을 동시에 수행한다.

ETRI가 이번에 개발한 고체전해질막은 제조가 간단하고 빠르며 매우 얇고 견고한 게 특징이다.

일반적으로 전고체 배터리 연구에서는 제조공정에서 딱딱한 고체전해질 사용 시 막의 내구성을 높이기 위해 두께가 수백㎛에서 1㎜까지 두껍게 사용하는데, 이렇듯 두꺼운 두께는 에너지 밀도의 손실을 가져오는 단점이 있다. 

ETRI는 기계적 전단(힘)을 가할 시 섬유화 거동을 보이는 바인더 소재를 적용해, 건식공정을 통해 기존 상용화된 리튬이온 배터리 분리막 두께에 근접한 18㎛의 초박막형 고체전해질막을 제조했다.

이를 통해 셀 부피를 대폭 감소시키면서 고에너지 밀도, 고성능 전고체 배터리를 만들 수 있게 한 것으로, 1㎜ 두께의 후막형 고체전해질막 대비 최대 10배 이상 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 

ETRI에 따르면, 기존 상용화된 고분자 분리막의 두께에 근접한 고체전해질막을 통해 충·방전 간 이온전달속도를 향상시키면서 동시에 셀 부피 및 무게를 대폭 감소, 고에너지 밀도의 전고체 배터리 개발이 가능할 것으로 기대된다. 

ETRI는 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계를 밝혀 최적화된 초박막형 고체전해질막 개발을 위한 공정 표준도 제시했다. 이를 활용해 앞으로 제조 공정상에서 정확한 바인더의 양 투입으로 경제성있는 막 형태를 제조할 수 있다. 

ETRI 스마트소재연구실 박영삼 박사는 “분리막 수준의 두께의 고체전해질막 대면적화 성공으로 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있어 가격경쟁력이 높은 전고체 배터리의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

ETRI 스마트소재연구실 신동옥 박사는 “고분자 바인더 섬유화 현상에 대한 심도있는 이해를 통해, 그동안 난제였던 고체전해질막의 초박막화를 간단하고 빠른 공정으로 해결한 결과”전했다.

한편, ETRI 연구진은 추가적으로 이온전도 성능 향상, 전극과의 안정적인 계면 제어를 위한 연구를 진행할 예정이다.