국내 연구진이 폭발과 화재 위험이 없어 기존 이차전지를 대체할 수 있는 차세대 전고체전지를 개발하는 데 성공했다. 이 전지는 최근 화재로 안전 문제가 불거진 ESS(에너지저장장치), 전기차 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국생산기술연구원은 김호성 박사(제주지역본부장) 연구팀이 폭발 및 화재 위험을 없애면서 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 '바이폴라 구조의 전고체전지' 제조 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

전고체전지는 전지 내부의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 이차전지다. 현재 상용화된 이차전지는 가연성 액체전해질을 사용하는 리튬이온전지가 많이 쓰이는데, 과열 또는 과충전될 경우 폭발할 위험이 있다.

연구팀은 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계(LLZO, 리튬·란타늄·지르코늄·산소) 고체전해질 소재를 사용해 폭발과 화재 위험을 원천적으로 없앴다. 또한 다수의 단위셀이 하나의 셀 스택안에 직렬로 연결돼 있는 '바이폴라 구조'로 설계·제작해 고전압 구현에 유리하다. 특히 전기차 배터리 팩의 부피도 3분 1 수준으로 줄이면서 주행 거리는 2배 이상 향상시킬 수 있다.

고체전해질로 적용한 LLZO 소재는 안전성이 뛰어나지만 제조공정 비용이 비싸고, 이온전도도가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 이같은 문제를 일종의 화학 반응기인 '테일러 반응기'를 활용한 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고, 분말 입자를 나노화함으로써 해결했다.

이 나노 분말은 50∼60 마이크로미터(㎛) 두께의 복합고체전해질 시트로 만들어 전고체전지의 부피 에너지밀도를 시간당 445Wh 수준으로 높일 수 있었다. 아울러 소결시간을 5배 가량 단축시켜 비용을 크게 절감할 수 있고, 이온전도도를 3배 이상 높여 세계 최고 수준에 달한다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이를 기반으로 단위셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택(37V, 8Wh급)의 전고체전지를 제작했으며, 과충전 상태에서 가위로 셀스텍을 절단해도 발화 및 폭발 현상이 없음을 확인했다. 이와 함께 셀스텍에 사용된 단위셀은 400회 충방전 실험한 결과, 배토리 초기 용량의 약 84%를 유지해 기존 전고체전지보다 수명이 5배 이상 개선된 것으로 나타났다.

김호성 박사는 "최근 ESSS를 포함한 잇따른 신재생에너지의 폭발 및 화재로 배터리 안전성이 중요해진 상황에서 차세대 전고체전지 제조기술을 확보하게 됐다"며 "올해부터 셀스텍 사업화에 착수해 상용화를 앞당겨 나가겠다"고 말했다.

한편 이 연구는 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원을 받아 에너지연, KIST, ETRI 등이 공동 연구기관으로 참여했다.