- 황화물 계열 고체전해질 '저가 대량생산' 공정 발견

[디지털데일리 김도현 기자] 국내 연구진이 차세대 배터리 시대를 앞당길 전망이다.

22일 한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 전고체전지용 황화물 고체전해질을 저가로 대량합성하는 신기술을 세계최초로 개발했다고 밝혔다. 고가의 황화리튬을 사용하지 않고 습식 공정의 일종인 공침법을 이용했다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 제품이다. 불연성의 고체를 사용하기 때문에 화재의 위험이 낮고 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않다. 전지의 고용량화, 소형화, 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 변경이 가능한 미래 기술로 꼽힌다.

KERI가 연구한 분야는 전고체전지 핵심 고체전해질이다. 그중에서도 가장 주목받는 ‘황화물 계열’이다. 황화물계 고체전해질은 이온 전도도가 높고 연성(Ductility)이 커서 극판과 분리막 제조가 쉽다는 장점이 있다.

하지만 주원료 황화리튬 가격이 비싸고 다른 원료와 혼합 공정에 높은 에너지가 드는 볼밀법을 사용하는 단점이 있다. 이러한 이유로 결과물도 소량 생산에 그치고 있으며 100그램당 가격이 수백만원에 달한다.

하 박사팀은 값비싼 황화리튬 사용 없이 단 한 번의 용액합성 과정만으로 황화물계 고체전해질을 저가로 대량생산할 수 있는 획기적인 공정 기술을 개발했다.

이번 기술의 핵심은 ‘공침법’이다. 공침법은 여러 가지 서로 다른 이온들을 수용액 또는 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법이다. 리튬전지용 양극 소재를 대량생산하는 산업 현장에서 많이 활용된다.

KERI 연구팀은 리튬과 황, 인, 할로겐 원소 등을 공침시키는 공정 개발에 성공했다. 기존 황화리튬을 사용하던 방식과 동일한 수준의 고체전해질을 제조할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

고체전해질 제조를 위한 순수 원료비만 놓고 보면 KERI의 제조 방식이 약 15배 이상 저렴하다. 볼밀법과 같은 고에너지 공정을 거치지 않는다는 점을 감안하면 비용 절감 효과는 더욱 크다. 전고체전지 상용화를 위한 저가격과 대량생산 이슈를 동시에 해결할 수 있는 성과다.

하 박사는 “현재 황화물계 전고체전지 분야에서 일본이 원천소재 기술을 선점하고 있다면 우리는 고체전해질 제조공정 기술 우위로 시장경쟁력을 확보하여 대응해야 한다”며 “향후 KERI 기술의 기업체 이전을 통해 공정라인 확대 및 고체전해질 양산을 추진하고 이를 기반으로 전고체전지 상용화에 필요한 다양한 제조기술 개발에도 노력을 기울일 것”이라고 강조했다.

<김도현 기자>dobest@ddaily.co.kr