한국전자통신연구원(ETRI)이 전고체배터리를 위한 고체 전해질막을 개발, 성능 높고 안전한 전고체배터리의 상용화를 앞당길 전망이다.
ETRI는 18일 황화물계 고체 전해질과 고분자 직물 지지체를 활용, 기존 펠릿 형태와 대비해 두께는 10%에 불과하고 에너지밀도는 6배 높인 ‘얇고 유연한’ 고체 전해질막 개발에 성공했다고 밝혔다.
전고체배터리는 배터리의 핵심 구성 요소인 전해질을 기존 액체 형태에서 고체 형태로 대체한 전지이다. 가연성의 액체 전해질을 고체로 대체해 누출이나 화재로 인한 위험성을 원천 방지할 수 있다.
기존의 전고체배터리 연구는 고체 전해질 입자에 압력을 가하거나 소결하는 공정을 통해 수백 마이크로미터 두께의 펠릿 형태로 제조하는 것이 일반적이었지만, 고체 전해질 펠릿은 깨지기 쉬운 성질이 있다고 ETRI는 설명했다.
때문에 이를 적용한 배터리 셀에 유연성을 부여하기 어려운 한편, 두께도 두꺼워지면서 셀의 에너지밀도가 오히려 낮아지는 한계가 드러나 상용화에 발목이 붙잡힌 상황이었다.
ETRI 연구진은 이런 한계를 극복하고자 우수한 이온 전도도를 갖고 있는 황화물계 고체 전해질과 기계적 강도가 우수한 고분자 직물 지지체를 활용해 얇은 고체 전해질막을 개발했다.
이에 따라 기존의 펠릿 형태 고체 전해질 대비 두께는 10배 이상 감소하고 이온전도 특성은 2배 증가해 출력 특성은 20% 향상됐고, 부피 당 에너지밀도 역시 기존과 비교해 6배 증가했다고 연구진은 설명했다.
ETRI의 이번 연구 성과는 세계적 학술지로 알려진 ‘ACS 응용 재료·인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 개재되면서 그 우수성을 입증했다.
연구의 책임자인 이영기 ETRI 스마트소재연구실장은 “딱딱하고 두꺼우면서 면적이 작은 펠릿형, 또는 두꺼운 시트형 고체 전해질을 얇은 두께와 유연성을 가지는 막(Membrane) 형태로 구현해 기존 펠릿형 전고체배터리의 기술적 한계를 극복하고자 노력했다”고 밝혔다.
이어 연구를 주도한 강석훈 선임연구원은 “그동안 고체 전해질을 최종 셀에 적용하는 데 공정상 한계를 보였는데, 이번 연구에서 개발한 고체 전해질막은 배터리 셀 에너지밀도를 획기적으로 높여 전고체배터리 상용화 가능성을 크게 높일 것”이라며 “기존의 전지 셀 제조방식에 호환할 수 있는 고체 전해질막의 연구를 지속해서 진행할 예정”이라고 말했다.
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