폭발 위험 없고 강력한 전고체전지 나왔다

2019.06.17 12:00
한국생산기술연구원이 자체 개발한 전고체전지. 단위셀을 직렬로 10개 연결하여 제작한 바이폴라 구조로 작고 가벼우면서 강하다. 사진제공 한국생산기술연구원
한국생산기술연구원이 자체 개발한 전고체전지. 단위셀을 직렬로 10개 연결하여 제작한 바이폴라 구조로 작고 가벼우면서 강하다. 사진제공 한국생산기술연구원

폭발과 화재 위험을 없애면서도 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 전지 제조기술이 나왔다.


한국생산기술연구원은 김호성 제주제역본부장팀이 전지 내부의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체가 아닌 고체로 바꾼 새로운 ‘전고체전지’를 개발했다고 17일 밝혔다. 특히 작은 전지를 여러 개 직렬로 연결해 하나의 큰 전지로 조립하는 '바이폴라' 구조를 도입해, 작고 안전하면서도 고전압을 낼 수 있는 게 특징이다.


현재 전기자동차부터 휴대전화 배터리까지 널리 쓰이는 리튬이온배터리는 양극과 음극 액체로 된 전해질이 자리한 구조다. 전기를 쓸 때는 음극의 리튬에서 리튬 양이온과 전자가 발생하면 리튬 양이온이 전해질을 타고 양극으로 이동한다, 전자는 도선을 타고 양극으로 이동하며, 이 때 양극에서 음극으로 전류가 발생한다. 충전시에는 리튬 양이온이 다시 전해질을 통해 음극으로 이동한다. 


문제는 양극과 음극이 직접 닿을 경우 전류가 너무 흘러 화재나 폭발이 일어날 수 있다는 점이다. 평소에는 ‘분리막’이라는 구조를 통해 양극과 음극을 나눠 이 둘이 서로 닿는 일이 없는데, 배터리가 과열되거나 물리적인 충격을 받아 분리막이 훼손되면 두 극의 물질이 만나 폭발할 수 있다.


전고체전지는 전해질을 딱딱한 고체로 만들어 애초에 이런 가능성을 없앤 전지다. 전해질 종류에 따라 산화물, 황화물, 고분자 계열로 분류할 수 있는데, 김 본부장팀은 그 가운데에서 산화물계를 연구했다.


연구팀은 효율이 높고 강한 리튬과 란타늄, 지르코늄, 산소를 이용한 산화물 소재(LLZO)를 이용했다. 일종의 화학 반응기인 ‘테일러 반응기’를 이용해 저렴한 연속 생산 공정을 구축하고, 갈륨과 알루미늄 등 다른 물질을 섞어 LLZO를 값싸게 나노 입자로 생산하는 데 성공했다. 연구팀이 자체적으로 실험해 본 결과, 나노 분말의 생산 속도는 기존의 5분의 1로 준 반면 이온을 전달하는 성질은 3배 높아져 세계 최고 수준이었다.

 

전고체전지를 해체했다. 구성 소재와 단위셀 및 바이폴라 구조의 대면적 파우치셀이 보인다. 사진제공 한국생산기술연구원
전고체전지를 해체했다. 구성 소재와 단위셀 및 바이폴라 구조의 대면적 파우치셀이 보인다. 사진제공 한국생산기술연구원

연구팀은 이 분말에 전도성 바인더(전해질과 전극을 붙여주는 물질)을 넣어 두께가 0.05~0.06mm 수준의 얇은 전해질시트를 개발했다. 그 뒤 이 전지를 10개 직렬로 연결해 가로세로 11~12cm의 파우치 형태의 전지(셀스택)를 국내 최초로 제작했다. 완성된 셀은 400번 충방전 실험을 해도 초기 용량의 84%를 유지해 기존 전고체전지보다 수명이 5배 개선됐으며, 과충전된 상태에서 가위로 잘라도 폭발하지 않을 정도로 안전했다.


김 본부장은 “최근 잇따른 신재생에너지저장시설(ESS) 폭발 및 화재로 배터리의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 수 있는 차세대 전고체전지 제조기술을 확보했다”며 “LLZO 소재 제조기술은 이미 국내 기업에 이전됐고 올해부터는 셀스택 사업화에 착수하는 만큼 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 말했다.
 

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