전기연구원, '공침법' 활용 고체전해질 대량생산 기술 개발

하윤철 박사팀, 비싼 황화리튬 없이 황화물계 고체전해질 대량 합성
국내외 특허등록 완료, 발화·폭발 걱정 없는 전고체전지 상용화 기대

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 경남 창원에 있는 한국전기연구원은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 '공침법'을 활용해 전고체전지용 황화물 고체전해질을 저비용으로 대량 합성할 수 있는 신기술을 세계 최초로 개발했다고 22일 밝혔다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 액체가 아닌 고체로 대체한 차세대 배터리다.

불연성의 고체를 사용하기 때문에 화재의 위험이 없고, 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아, 전지의 고용량화, 소형화, 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한 차세대 유망 기술로 손꼽힌다.

하윤철 박사팀이 연구한 분야는 전고체전지의 핵심인 고체전해질이며, 그 중에서도 가장 주목받는 '황화물(Sulfide) 계열 고체전해질'이다.

황화물계 고체전해질은 이온 전도도가 높고 연성이 커서 극판과 분리막 제조가 쉽다는 장점이 있지만, 주원료인 황화리튬(Li2S) 가격이 비싸고, 다른 원료와 혼합 공정에 높은 에너지가 드는 볼밀법을 사용해야 하는 단점도 있다.

그렇다보니 지금까지는 소량 생산 수준에 머물고 있고, 가격도 100그램당 수백만 원에 이른다.

이에 하윤철 박사팀은 지속적인 연구 끝에 값비싼 황화리튬 사용 없이 단 한 번의 용액합성(One-pot) 과정만으로, 황화물계 고체전해질을 저가로 대량생산할 수 있는 획기적인 공정의 기술 개발에 성공했다.

개발 기술의 핵심은 '공침법'이다. 공침법은 여러 가지 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법으로, 리튬이차전지용 양극 소재를 대량 생산하는 산업 현장에서 가장 많이 활용되는 방법이다.

하 박사팀은 리튬과 황, 인, 할로겐 원소 등을 공침시키는 공정 개발에 성공했고, 기존의 황화리튬을 사용하던 방식과 동일한 수준의 고체전해질을 제조할 수 있다는 사실도 밝혀냈다.

고가의 원료 사용 없이 '공침법'이라는 간단한 과정(One-pot)으로, 전고체전지의 핵심인 고체전해질을 저렴한 가격으로 대량생산 할 수 있는 공정 기술을 개발한 것이다.

고체전해질 제조를 위한 순수 원료비만 놓고 보면, 하 박사팀의 제조 방식은 약 15배 이상 저렴하다. 또한, 볼밀법과 같은 고에너지 공정을 거치지 않는다는 점을 감안하면 비용 절감 효과는 더욱 커진다.

따라서 하 박사팀의 이번 연구 성과는 전고체전지 상용화의 관건인 저가격과 대량생산 문제를 동시에 해결했다는 점에서 아주 획기적인 결과물이다.

한국전기연구원은 이미 원천기술과 관련한 국내외 특허 출원을 완료했으며, 전고체전지 생산부터 전기차, 전력저장장치 등 활용 분야까지 다양한 산업계의 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체 발굴 및 기술 이전을 추진한다는 계획이다.

하윤철 박사는 "현재 황화물계 전고체전지 분야에서 일본이 원천소재 기술을 선점하고 있다면, 우리는 고체전해질 제조공정 기술 우위로 대응해 나가야 한다"고 강조했다.

그러면서 "이번에 개발한 공정 기술의 국내 기업체 이전을 통해 공정라인 확대 및 고체전해질 양산을 추진하고, 이를 기반으로 전고체전지 상용화에 필요한 다양한 제조기술(복합활물질, 이온전도분리막, 극판 및 셀 제조기술 등) 개발에도 많은 노력을 기울이겠다"고 밝혔다.

한편, 하윤철 박사팀의 이번 연구 논문은 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘어플라이드 에너지 머티리얼즈' 1월호에 '저온소결형 고체전해질 생성 메커니즘 세계 최초 규명'이라는 제목으로 발표됐다.

하 박사팀은 '꿈의 배터리'인 전고체전지 상용화에 기여한다는 목표로 고체전해질과 관련한 연구를 계속하고 있다.

☞공감언론 뉴시스 hjm@newsis.com

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