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폭발·화재 위험 없는 대면적 전고체전지 제조기술 개발
생기원, 배터리 부피 3분의 1로 줄여, 전기차 주행거리 2배 향상 기대
2019년 06월 17일 오후 12:00
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[아이뉴스24 최상국 기자] 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이성일)이 폭발 및 화재 위험을 없애면서도 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 전(全)고체전지 제조기술을 개발했다.

17일 생기원 김호성 박사(제주지역본부장)연구팀은 전고체전지 단위셀 10개로 구성된 바이폴라(양극성) 구조의 셀스택(37V, 8Wh 급)을 국내 최초로 제작하는 데 성공했다고 발표했다.

단위셀을 직렬로 10개 연결하여 제작한 바이폴라 구조의 37V, 8Wh 급 셀스택 [생산기술연구원 제공]


개발된 전고체전지는 다수의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결되어 있는 바이폴라 구조로 설계·제작돼 고전압 구현에 유리하다. 이로 인해 전기차 배터리 팩을 간소화해 부피를 약 3분의 1로 줄이면서도 주행거리는 2배 이상 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

제작된 셀스택은 대면적(11㎝ x 12㎝)의 파우치 외장재 형태이며 과충전된 상태로 대기 중에서 가위로 절단한 경우에도 발화 및 폭발 현상이 나타나지 않아 안전성이 검증됐다.

또한 셀스택에 사용된 단위셀은 400회의 충방전 실험 결과 배터리 초기 용량의 약 84%를 유지, 종래 전고체전지보다 수명 특성이 5배 이상 개선됐다.

개발된 전고체전지는 고체전해질 중에서 가장 주목받고 있는 가넷 구조의 LLZO(리튬·란타늄·지르코늄·산소) 소재를 사용했다.

LLZO 소재는 안전성이 뛰어나지만 제조공정 비용이 비싸고 이온전도도가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고 분말 입자를 나노화하는 데 성공했다.

고체전해질 분말 소결시간을 약 5배 이상 단축해 비용을 크게 절감시켰고 이온전도도도 세계 최고 수준으로 개선했다. 이를 바탕으로 약 50~60㎛ 두께의 복합고체전해질 시트를 제작하고 이를 대면적 셀스택으로 제작했다.

전고체전지(All-Solid Battery)는 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 이차전지를 말한다. 현재 상용화된 이차전지는 가연성 액체전해질을 사용해 과열 또는 과충전될 경우 폭발할 위험이 있다.

김호성 박사는 “최근 잇따른 ESS 폭발 및 화재로 배터리의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 수 있는 차세대 전고체전지 제조기술 확보에 성공했다”고 밝히며, “LLZO 소재 제조기술은 이미 국내 기업에 이전 완료했으며 올해부터는 셀스택 사업화에 착수해 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 추진됐으며, 생기원이 주관하고 한국에너지기술연구원(정규남 박사), 한국과학기술연구원(정경윤 박사), 한국전자통신연구원(이영기 박사)이 함께 참여했다.

/최상국 기자 skchoi@inews24.com

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