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전고체 이차전지의 상용화를 앞당길 핵심기술의 등장
스마트소재연구실
박영삼 책임연구원, 신동옥 책임연구원, 윤석윤 UST 학생연구원
Vol.249 March
리튬이차전지의 취약점은 높은 휘발성을 가진
액체 유기용매를 사용한다는 것이다.
이는 외부의 충격을 통해 화재나 폭발로 이어질 수 있다.
이를 해결하기 위해 최근 스마트소재연구실에서는 전고체 이차전지의 핵심 부품이라고 할 수 있는 고체전해질막을 개발했다.
이차전지의 폭발과 화재의 위험을 낮춰줄 중요한 부품이다.
전고체 이차전지와 고체전해질막을 더 자세히 알아보기 위해 스마트소재연구실을 방문했다.
박영삼 책임연구원 전고체 이차전지란 이차전지를 구성하는 모든 물질이 고체인 이차전지를 말해요. 리튬이차전지의 4대 구성요소는 양극, 음극, 분리막 그리고 전해질로 구성되는데요. 대부분의 이차전지 전해질은 휘발성이 높은 액체 유기용매로 구성돼 있어요. 하지만 전고체 이차전지의 경우 고체 상태인 전해질을 사용하죠. 즉, 유기용매를 사용하지 않아도 되기 때문에 열적 안정성이 우수한 것으로 알려져 있어요. 그 이유로 고체 상태 전해질로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있죠. 차세대 리튬이차전지로 불리는 이유이기도 해요.
신동옥 책임연구원 고체전해질막의 역할은 크게 두 가지로 설명할 수 있어요. 첫 번째는 리튬이온을 전달하는 매개체라는 거예요. 양극과 음극 사이에는 고체전해질막이 배치되는데요. 리튬이온은 고체전해질막을 경유해 양극에서 음극, 혹은 음극에서 양극으로 이동하면서 충전이나 방전 동작이 일어나요. 첫째 역할은 액체 전해질의 역할과 동일한 거죠. 두 번째는 양극과 음극 간의 물리적 접촉을 분리해 주는 거예요. 둘째 역할은 분리막의 역할과 동일해요. 그래서 고체전해질막을 사용하는 전고체 전지에서는 분리막을 생략해도 작동해요.
윤석윤 UST 학생연구원 이번에 개발한 고체전해질막은 건식 공정을 기반으로 한 황화물 고체전해질막이에요. 제조를 위해 황화물 소재와 바인더 소재가 사용됐어요. 기존과 다른 점은 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계를 구조 분석을 통해 정량화하고, 최적화된 초박막형 고체전해질막 개발을 위한 공정 표준을 제시했다는 점이에요. 이를 통해 제조 공정상에서 정확한 바인더의 양 투입으로 이온전도 성능을 최적화하면서 경제성 있는 고체전해질막 제조가 가능하게 됐죠. 이 결과는 SCI 저널인 Small에 논문이 게재됐고 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐어요. 그리고 Small 게재에 앞서 한국에 특허가 출원 완료됐고, 미국의 경우 특허출원을 앞두고 있어요.
LED 바를 구동시키는 파우치형 전고체 이차전지 (좌상), 복합양극, 고체전해질막 및 복합음극층들의 두께를 나타내는 내부 단면 구조 SEM 사진 (하), 27°C에서 7MPa 구동 압력 조건하에서 0.5°C 조건으로 충·방전 구동 결과 (우상)
박영삼 책임연구원 고체전해질은 양극과 음극에 각각 닿는 면적이 액체전해질일 때보다 작아요. 그래서 리튬 이온 이송에 문제가 생길 수 있죠. 그래서 이 문제를 해결하기 위해 복합양극과 복합음극을 제작하는데요. 전극 물질에 고체전해질 물질을 함께 섞어서 만들어요. 추가로 압력을 가해서 양극과 음극에 고체전해질의 접촉 면적을 크게 만들고요. 이런 의미에서 복합양극 그리고 복합음극은 전고체 이차전지의 안정적인 계면1)제어 이슈를 해결할 수 있는 핵심 기술이라고 할 수 있어요. 이들의 경제성 있는 제작을 위해서는 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계 분석이 필수적이죠. 그래서 이번 연구결과는 복합양극과 복합음극으로 확대 적용이 가능할 것이라고 보고 있어요.
신동옥 책임연구원 이번에 개발한 고체전해질막은 건식 공정 기반으로 제작하기 때문에 액체 유기용매를 사용하지 않아요. 액체 유기용매를 사용하게 되면 열을 가해서 건조시켜 유기용매를 제거하는 과정이 필요한데요. 이때 휘발, 배출되는 유기용매나 유기화학물이 대기와 수질, 토양을 오염시킬 수 있어서 환경에 좋지 않거든요. 유럽에서도 NMP와 같은 액체 용매에 대해 환경 보호를 위한 사용 규제가 강화되고 있고요. 이런 점에서 건식 공정은 환경오염을 줄일 수 있다는 장점을 가져요.
1) 계면: 서로 다른 물질 또는 물리적 상태의 물질이 차지하는 두 공간 영역 사이의 경계
박영삼 책임연구원 오랜 기간 의문을 품었던 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계를 정량화했다는 점이 가장 뿌듯해요.
신동옥 책임연구원 고체전해질막의 초박막화는 전고체 이차전지의 상용화에 있어 가장 난제에 해당하는 부분이에요. 20µm 이하의 고체전해질막을 단 0.5wt% 바인더만으로 제조하고 적용하는 기술을 연구진이 끊임없이 고민하고 노력해 이뤄냈다는 점이 의미가 깊다고 생각해요.
윤석윤 UST 학생연구원 PTFE 바인더2)가 건식전극으로 사용되기 위한 조건을 찾아 바인더 선정의 어려움을 해소할 수 있었고, 최적화된 조건으로 넓은 면적의 극박막 배터리를 구현했다는 것에 큰 성취감을 느꼈어요.
2) PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌, Polytetrafluoroethylene): 차세대 양극재 바인더. 내구성이 강하고 화학적으로 안정적인 성질을 가진 고분자로 전지 제조에서 양극이나 음극의 재료들을 결합하는 역할을 한다.
신동옥 책임연구원 첫 번째는 분리막 수준 두께의 고체전해질막 대면적화 성공으로 전고체 이차전지의 에너지 밀도를 대폭 향상할 수 있다는 점이에요. 두 번째는 그동안 난제였던 고체전해질막의 초박막화를 간단하고 빠른 공정으로 해결할 수 있다는 점이에요. 두 효과로 인해 가격경쟁력이 높은 전고체 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대하고 있어요.
윤석윤 UST 학생연구원 휘발성이 높은 액체 유기용매를 사용하지 않기 때문에, 그 위험이 현저히 낮아질 것으로 기대하고 있어요. 특히, 지금과 같이 전기자동차 사고 시 초기 급격한 발화와 폭발을 억제할 수 있을 것으로 예상돼요. 추가로 우리 연구실에서는 폭발의 위험을 회피하기 위해 수계 용매를 사용하는 이차전지를 개발 중에 있어요. 결과가 나온다면 우선 ESS용 배터리에 적용할 예정이에요. 장기 연구를 통해 에너지 효율 극대화가 실현된다면 향후 전기자동차용 배터리로도 사용할 수 있지 않을까 기대하고 있어요.
박영삼 책임연구원 우리 연구실은 앞으로 건식 황화물 고체전해질막 기반 전고체 이차전지의 추가적인 이온전도 성능 향상과 전극과의 안정적인 계면 제어를 위한 연구를 진행할 예정이에요.
신동옥 책임연구원 실제 산업화 공정에 적합하고 대면적 생산이 가능한 초박막 고체전해질막 개발과 이를 적용한 전고체 이차전지 개발에 힘쓰고 싶어요.
윤석윤 UST 학생연구원 폭발위험이 전혀 없는 리튬 이차전지 개발에 기여하고 싶어요. 더불어 높은 안전성과 에너지밀도를 가지는 전고체 이차전지를 쉽고 간단하게 만드는 연구를 진행해 보고 싶습니다.
