국내 연구진이 폭발·화재 위험이 없는 대면적 전고체전지 제조기술을 개발했다.
한국생산기술연구원은 김호성 박사 연구팀이 폭발과 화재 위험을 없애면서 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조의 전고체전지 제조기술을 개발했다고 6월17일 밝혔다.
전고체전지는 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 2차전지를 가리키며, 현재 상용화된 2차전지는 가연성 액체전해질을 사용하는 LiB(리튬이온배터리)로 과열 또는 과충전 시 팽창해 폭발할 위험이 있지만 연구팀이 개발한 전고체전지는 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계 고체전해질 소재를 사용해 폭발과 화재 위험이 없고 안전한 것으로 파악된다.
또 다수의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결된 바이폴라 구조로 설계·제작해 고전압 구현에 유리하다는 장점이 있다.
전기자동차(EV)에 적용할 시 배터리 팩을 간소화해 부피를 약 3분의 1로 줄이면서도 주행거리는 2배 이상 향상할 수 있을 것으로 기대된다.
전고체전지는 고체전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류되며 연구팀은 산화물계 중에서도 가장 효과적이라 평가받는 가넷 LLZO(리튬·란타늄·지르코늄·산소) 소재를 사용한 고강도 복합고체전해질 시트 제조기술에 초점을 맞췄다.
LLZO 소재는 안전성 등이 뛰어나지만 제조공정 비용이 많이 들고 이온전도도가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 테일러 유체 흐름 원리를 이용하는 일종의 화학 반응기인 테일러반응기를 활용한 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하며 분말 입자를 나노화하는데 성공했다.
나노급 LLZO 고체전해질 분말은 이종 원소(갈륨·알루미늄) 도핑으로 소결시간을 약 5배 이상 단축시킴으로써 비용을 크게 절감했고 이온전도도 역시 세계 최고 수준으로 개선했다.
이와 함께 연구팀은 전고체전지 단위셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택(37V, 8Wh급)을 국내 최초로 제작해 상용화 가능성을 높였다.
제작된 셀스택은 대면적(11cm x 12cm) 파우치 외장재 형태로 과충전된 상태에서 대기 중 가위로 절단했을 때에도 발화 및 폭발 현상이 나타나지 않아 안전성이 검증된 것으로 파악된다.
400회의 충방전 실험 결과 배터리 초기 용량의 약 84%를 유지하며 전고체전지보다 수명 특성이 5배 이상 개선된 것으로 확인됐다.
김호성 박사는 “최근 잇따른 신재생에너지 ESS(Energy Storage System) 폭발과 화재로 배터리의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 수 있는 차세대 전고체전지 제조기술 확보에 성공했다”며 “LLZO 소재 제조기술은 이미 국내기업에게 이전 완료됐고 2019년부터는 셀스택 사업화에 착수해 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 강조했다. (K)