공침법 이용한 고체전해질 대량생산 신기술 개발

하윤철 박사팀이 고가의 황화리튬 사용 없이 황화물계 고체전해질 대량합성 공정을 개발하는데 성공했다.

한국전기연구원(이하 KERI) 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 고가의 황화리튬을 사용하지 않고 습식 공정의 일종인 공침법(Coprecopitation method)을 이용, 전고체전지용 황화물 고체전해질을 저가로 대량합성하는 신기술을 세계최초로 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.

KERI가 연구한 분야는 전고체전지의 핵심인 고체전해질, 그중에서도 가장 주목받고 있는 ‘황화물(Sulfide) 계열 고체전해질’이다. 황화물계 고체전해질은 이온 전도도가 높고 연성(Ductility)이 커서 극판과 분리막 제조가 쉽다는 장점이 있으나, 주원료인 황화리튬(Li2S) 가격이 비싸고, 다른 원료와의 혼합 공정에 높은 에너지가 드는 볼밀법을 사용하는 단점이 있다. 이러한 이유로 결과물도 소량 생산에 그치고 있으며 100그램당 가격이 수백만 원에 이른다.

이에 하윤철 박사팀은 값비싼 황화리튬 사용 없이 단 한 번의 용액합성(One-pot) 과정만으로 황화물계 고체전해질을 저가로 대량생산할 수 있는 획기적인 공정 기술을 개발했다.

이번 기술의 핵심은 ‘공침법’이다. 공침법은 여러 가지 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법으로, 리튬이차전지용 양극 소재를 대량생산하는 산업 현장에서 가장 많이 활용되는 방법이다. KERI 연구팀은 지속적인 연구 끝에 리튬과 황, 인, 할로겐 원소 등을 공침시키는 공정 개발에 성공했고, 기존의 황화리튬을 사용하던 방식과 동일한 수준의 고체전해질을 제조할 수 있다는 사실을 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 KERI의 제조 방식이 약 15배 이상 저렴하며, 볼밀법과 같은 고에너지 공정을 거치지 않는다는 점을 감안하면 비용 절감 효과는 더욱 크다. 전고체전지 상용화의 관건인 ‘저가격’과 ‘대량생산’ 이슈를 동시에 해결할 수 있는 큰 성과다.

원천기술과 관련한 국내외 특허 출원을 완료한 KERI는 이번 성과가 전고체전지의 생산(셀 및 극판, 전해질막 제조기업, 소재 기업 등)라인부터 활용(전기차, 전력저장장치 등)분야까지 다양한 산업계의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진한다는 계획이다.

연구 개발자인 하윤철 박사는 “현재 황화물계 전고체전지 분야에서 일본이 원천소재 기술을 선점하고 있다면, 우리는 고체전해질 제조공정 기술 우위로 시장경쟁력을 확보해 대응해야 한다”고 밝히며 “향후 KERI 기술의 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 전했다.

한편 KERI 연구팀은 최근 저온소결형 고체전해질 생성 메커니즘을 세계최초로 규명해 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제 학술지 ‘어플라이드 에너지 머티리얼즈(ACS Applied Energy Materials)’에 성과가 게재되는 등 고체전해질과 관련한 지속적인 연구개발에 나서고 있으며, 이를 통해 ‘꿈의 배터리’인 전고체전지 상용화에 기여한다는 목표다.