한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 에너지저장장치로 주목받는 전고체 전지의 상용화를 앞당길 핵심기술을 개발했다. 

ETRI 스마트소재연구실은 고이온전도성 황화물계 고체전해질과 레이저 가공 지지체(scaffold)를 결합해 얇고 유연하면서도 대면적 제조가 가능한 고체전해질막 구현에 성공했다. 

전고체 전지는 리튬이온전지의 액체 전해질을 불연성 고체로 대체한 차세대 전지로, 발화 위험이 낮아 안전성이 높고 고에너지밀도 리튬금속음극을 사용할 수 있어 에너지 저장량이 크다.

그러나 지금까지 연구는 수백 ㎛ 수준의 두꺼운 펠렛형 고체전해질을 사용해 전지 에너지밀도가 오히려 낮아지는 문제가 있었다. 반면 고체전해질을 얇게 만들면 기계적 강도가 급격히 떨어져 대면적 제조가 어려웠다.

ETRI 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 레이저로 미세 기공을 형성한 지지체 표면에 고체전해질 슬러리를 코팅하는 방식을 구상했다. 

그 결과 두께 27㎛ 수준의 얇은 고체전해질막을 구현하면서도 기존 프리스탠딩(freestanding) 형태보다 13배 이상 향상된 인장강도를 확보했다.

특히 고분자 필름이나 금속호일을 지지체로 활용해 기계적 내구성과 이온전도성을 동시에 만족시켰다.

아울러 연구진은 상용 리튬이온전지 제조공정에 사용하는 ‘코마 코터(comma coater)’를 활용해 롤 형태 고체전해질막 제작에 성공했다. 

이를 통해 롤투롤 공정과의 호환성을 입증함으로써 양산 가능성을 확인했다.

연구진이 개발한 고체전해질막을 적용한 전고체 전지는 기존 펠렛형 전해질 대비 6배 높은 에너지밀도를 달성했고, 실온에서도 안정적인 충방전 사이클 성능을 보였다.

아울러 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 지지체의 기공 배열과 형태, 균일도가 기계적 강도와 전기화학적 성능에 미치는 영향을 분석해 향후 최적화 방향을 제시했다.

이번 연구를 주도한 강석훈 ETRI 선임연구원은“고체전해질막의 기계적 내구성과 이온전도성을 동시에 확보해 전고체 전지 상용화의 핵심 과제였던 얇고 유연한 분리막 수준의 고체전해질막 대면적화를 실현했다”고 설명했다.

이영기 ETRI 스마트소재연구실장은 “실제 배터리 양산 공정에 적용할 수 있는 기반 기술을 마련해 큰 의미가 있다”며 “향후 전극계면 안정화와 바이폴라구조 배터리 적용에도 확장할 수 있을 것”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 강 선임연구원이 제1저자로, 이 실장과 연세대 이용민 교수가 교신저자로 참여했고, 연구성과는 지난 7월 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 게재됐다.