두께 27㎛ 고체전해질막 개발… 전고체 전지 상용화 한 걸음 더

두께 27㎛ 고체전해질막 개발… 전고체 전지 상용화 한 걸음 더두께 27㎛ 고체전해질막 개발… 전고체 전지 상용화 한 걸음 더

한국전자통신연구원(ETRI)이 차세대 에너지저장장치로 주목받는 전고체 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 고체전해질막을 개발했다. 연구팀은 고이온전도성 황화물계 전해질과 레이저 가공 지지체를 결합해, 두께 27㎛ 수준의 얇고 유연한 막을 구현하면서도 기계적 강도를 크게 높였다.

성과는 세계적 재료과학 학술지 스몰(Small) 7월호 온라인판에 게재돼 국제적으로 우수성을 인정받았다.

전고체 전지는 기존 리튬이온전지의 액체 전해질을 불연성 고체로 대체한 차세대 전지다. 발화 위험이 낮고, 고에너지밀도 리튬 금속 음극 사용이 가능해 저장 용량을 크게 늘릴 수 있다. 그러나 기존 연구에서 사용된 펠렛형 고체전해질은 두께가 수백㎛에 달해 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 있었고, 반대로 얇게 만들면 기계적 강도가 급격히 떨어져 대면적 제조가 어렵다는 한계가 있었다.

ETRI 연구진은 레이저로 미세 기공을 형성한 지지체 표면에 고체전해질 슬러리를 코팅하는 방식을 도입했다. 이를 통해 기존 프리스탠딩(freestanding) 막보다 13배 이상 강한 인장 강도를 확보했다. 지지체로 고분자 필름이나 금속 호일을 활용해 기계적 내구성과 이온전도성을 동시에 충족시킨 점도 특징이다.

또한 상용 리튬이온전지 제조에 쓰이는 코마 코터(comma coater)를 이용해 롤 형태 고체전해질막 제작에 성공, 롤투롤 공정과의 호환성을 입증했다. 이는 대량 생산 가능성을 열어 전고체 전지 상용화에 중요한 진전을 의미한다.

실험 결과, 개발된 고체전해질막을 적용한 전고체 전지는 기존 펠렛형 대비 6배 높은 에너지 밀도를 달성했고, 실온에서도 안정적인 충·방전 성능을 보였다. 연구팀은 또한 시뮬레이션을 통해 지지체의 기공 구조와 균일도가 성능에 미치는 영향을 분석하며 최적화 방향을 제시했다.

강석훈 ETRI 선임연구원은 “고체전해질막의 기계적 내구성과 이온전도성을 동시에 확보해 전고체 전지 상용화의 핵심 난제를 풀었다”며 “분리막 수준의 얇고 유연한 막을 대면적으로 제조할 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

이영기 스마트소재연구실장은 “양산 공정 적용 가능성을 확인했다는 점에서 산업적 파급력이 크다”며 “향후 전극 계면 안정화와 바이폴라 구조 배터리 적용까지 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구는 ETRI와 연세대 공동으로 수행됐으며, 산업통상자원부 ‘리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발’ 사업과 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 사업 지원을 받아 진행됐다.