전기차·ESS 상용화, "차세대 전고체전지로 고고!"
전기차·ESS 상용화, "차세대 전고체전지로 고고!"
  • 강지희
  • 승인 2019.06.20 10:27
  • 조회수 2885
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전기차 참고 이미지. 출처: pixabay
전기차 참고 이미지. 출처: pixabay

전고체 전지는 전기 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 이차전지를 말합니다. 현재 상용화된 이차 전지는 가연성 액체 전해질을 사용하는 리튬이온 전지인데요. 이는 과열되거나 과충전될 경우 팽창해서 폭발할 위험성이 있죠.

 

한국생산기술연구원이 폭발 및 화재 위험성을 없애면서도 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조의 전고체 전지 제조 기술을 개발했다고 합니다. 김호성 박사 연구팀이 개발한 전고체 전지는 내열성과 내구성이 뛰어난 고체전해질 소재를 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험성이 없고 안전하다고 합니다.

 

어떻게 개발했는가

단위셀을 직렬로 10개 연결하여 제작한 바이폴라 구조의 37V, 8Wh 급 셀스택
단위셀을 직렬로 10개 연결하여 제작한 바이폴라 구조의 37V, 8Wh 급 셀스택. 출처: 한국생산기술연구원

전고체 전지는 고체 전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류되는데요. 연구팀은 산화물계, 그 중에서 가장 효과적이라 평가받는 가넷 LLZO(리튬, 란타늄, 지르코늄, 산소) 소재를 사용한 고강도 복합고체전해질 시트 제조 기술에 초점을 맞췄다고 합니다. 

 

LLZO 소재는 전위창 및 안전성이 뛰어나지만 제조 공정 비용이 비싼데다 이온 전도도가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움을 겪고 있었습니다. 이에 연구진은 테일러 반응기를 활용한 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고 분말 입자를 나노화하는데 성공했다고 합니다. 여기서 테일러 반응기란 테일러 유체흐름 원리를 이용하는 일종의 화학 반응기를 말합니다.

 

나노급 LLZO 고체전해질 분말은 갈륨, 알루미늄과 같은 이종 원소 도핑에 의해 소결 시간이 약 5배 이상 단축돼 시간이 크게 절감됐고 이온 전도도가 1.75 x 10^(-3) S/㎝로 3배 이상 개선됐다고 합니다.

 

이렇게 개발된 LLZO 분말은 소량의 고강도 이온전도성 바인더와 복합화되어 약 50~60㎛ 두께의 복합고체전해질 시트로 제작됐는데요. 이는 전고체전지의 부피 에너지밀도를 445 Wh/L 수준으로 향상시키는 국내 최고 수준의 핵심 기술이라고 합니다.

전고체전지의 구성 소재와 단위셀 및 바이폴라 구조의 대면적 파우치셀
전고체전지의 구성 소재와 단위셀 및 바이폴라 구조의 대면적 파우치셀. 출처: 한국생산기술연구원

나아가 연구팀은 전고체전지 단위셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택(37V, 8Wh 급)을 국내 최초로 제작해 상용화 가능성을 높였다고 합니다. 제작된 셀스택은 대면적(11㎝ x 12㎝)의 파우치 외장재 형태이며, 과충전된 상태로 대기 중에서 가위로 절단한 경우에도 발화 및 폭발 현상이 나타나지 않아 안전성이 검증됐다고 합니다. 

 

또한 셀스택에 사용된 단위셀은 400회의 충방전 실험 결과 배터리 초기 용량의 약 84%를 유지, 종래 전고체전지보다 수명 특성이 5배 이상 개선됐다고 합니다.

 

앞으로의 전망

김호성 박사. 출처: 한국생산기술연구원
김호성 박사. 출처: 한국생산기술연구원

김호성 박사는 "최근 잇따른 신재생에너지 ESS 폭발 및 화재로 배터리의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 수 있는 차세대 전고체전지 제조기술 확보에 성공했다"고 밝히며, "LLZO 소재 제조기술은 이미 국내 기업에 이전 완료됐고, 올해부터는 셀스택 사업화에 착수해 조기 상용화에 주력할 계획"이라고 말했습니다.


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