한국생산기술연구원

전기차·ESS 상용화, 차세대 전고체전지로 앞당긴다

- 생기원, 폭발·화재 위험 없는 대면적 전고체전지 제조기술 개발
- 배터리 부피 3분의 1로 줄여, 전기차 적용 시 주행거리 2배 향상 기대

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이성일)이 폭발 및 화재 위험을 없애면서도 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 바이폴라(Bipolar) 구조의 전고체전지 제조기술을 개발했다.

ㅇ 전고체전지(All-Solid Battery)란 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 이차전지를 말한다.

ㅇ 현재 상용화된 이차전지는 가연성 액체전해질을 사용하는 리튬이온전지인데, 과열 또는 과충전될 경우 팽창하여 폭발할 위험이 있다.

□ 생기원 김호성(現 제주지역본부장) 박사 연구팀이 개발한 전고체전지는 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계 고체전해질 소재를 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험이 없고 안전하다.

ㅇ 또한 개발된 전고체전지는 다수의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결되어 있는 바이폴라 구조로 설계·제작되어 고전압 구현에 유리하다.

ㅇ 이로 인해 전기차 배터리 팩을 간소화해 부피를 약 3분의 1로 줄이면서도 주행거리는 2배 이상 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

□ 전고체전지는 고체전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류되는데, 연구팀은 산화물계, 그 중에서도 가장 효과적이라 평가받는 가넷 LLZO(리튬·란타늄·지르코늄·산소) 소재를 사용한 고강도 복합고체전해질 시트 제조기술에 초점을 맞췄다.

ㅇ LLZO 소재는 전위창* 및 안전성이 뛰어나지만 제조공정 비용이 비싸고 이온전도도**가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움이 있었다.

* 고체전해질 소재에서 전기화학적 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않은 전압구간

** 고체 내부에서 리튬이온이 확산되는 속도로, 낮을 경우 용량 및 수명도 감소한다.

□ 이에 연구팀은 테일러반응기*를 활용한 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고 분말 입자를 나노화하는 데 성공했다.

* Taylor Reactor, 테일러 유체흐름 원리를 이용하는 일종의 화학 반응기

ㅇ 나노급 LLZO 고체전해질 분말은 이종 원소(갈륨·알루미늄) 도핑에 의해 소결시간이 약 5배 이상 단축되어 비용이 크게 절감됐고, 이온전도도가 세계 최고 수준인 1.75 x 10-3 S/㎝로 3배 이상 개선됐다.

ㅇ 이렇게 개발된 LLZO 분말은 소량의 고강도 이온전도성 바인더와 복합화되어 약 50~60㎛ 두께의 복합고체전해질 시트로 제작됐는데, 이는 전고체전지의 부피 에너지밀도를 445 Wh/L 수준으로 향상시키는 국내 최고 수준의 핵심기술이다.

□ 나아가 연구팀은 전고체전지 단위셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택(37V, 8Wh 급)을 국내 최초로 제작해 상용화 가능성을 높였다.

ㅇ 제작된 셀스택은 대면적(11㎝ x 12㎝)의 파우치 외장재 형태이며, 과충전된 상태로 대기 중에서 가위로 절단한 경우에도 발화 및 폭발 현상이 나타나지 않아 안전성이 검증됐다.

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

□ 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 말했다.

ㅇ 이번 연구는 국가과학기술연구회(이사장 원광연)가 지원하는 창의형융합연구사업으로 추진되었으며, 생기원이 주관기관으로 한국에너지기술연구원(정규남 박사), 한국과학기술연구원(정경윤 박사), 한국전자통신연구원(이영기 박사)과 공동 수행하고 있다.

ㅇ 한편 일본 후지경제연구소에 따르면, 세계 전고체전지 시장은 2035년 약 28조원 규모로 확대될 전망이다.