전고체전지 핵심소재, 스티커처럼 붙여 만든다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전고체전지의 핵심 소재인 고체전해질을 매우 얇게 만들면서 넓은 면적에 결함 없이 균일하게 제조할 수 있는 ‘전사 인쇄’ 공정을 제시했다.

한국화학연구원은 강영구 책임·박명수 선임연구팀이 가닛계 산화물 고체전해질 LLZTO를 활용해 별도 기판에 고체전해질 막을 먼저 만든 뒤 전극에 옮기는 전사 인쇄 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

한국화학연구원 연구진.(왼쪽부터)강영구 책임연구원, 추슬기 석사후연구원, 박명수 선임연구원.(사진=한국화학연구원)

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 기반 전해질을 이용해 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 높일 수 있다. 다만 높은 에너지 밀도를 확보하려면 20마이크로미터(㎛) 이하로 얇고, 넓은 면적에서 두께도 균일해야 한다.

기존 고체전해질을 별도 필름으로 만드는 방식은 찢어지지 않기 위해 70~120㎛까지 두꺼워야 했다. 전극에 반죽(슬러리)을 직접 바르는 방식도 액체 상태 슬러리가 다공성 전극 내부로 스며들어 전극이 변형되거나, 두께가 균일하지 않는 문제가 있었다.

연구팀은 고체전해질 슬러리를 PET-PDMS 기판에 코팅해 건조한 뒤, 완성된 얇은 막만 롤러로 압착해 스티커처럼 전극으로 옮기는 전사 인쇄 방식을 적용했다.

이때 코팅 과정과 전사 과정에 적합한 재료 간 친화도를 한센 용해도 지수(HSP)로 계산해 최적 조건을 설계했다.

전사 코팅하기 전 고체전해질(오른쪽)과 전사 후 고체전해질(왼쪽).(사진=한국화학연구원)

코팅 단계에서는 슬러리가 기판에 고르게 퍼지도록 친화도가 높은 조합을, 전사 단계에서는 건조된 막이 기판에서 쉽게 떨어지도록 접착력이 낮은 조합을 선택했다. 이런 식으로 반복 실험없이 다양한 재료의 조합을 합리적으로 선택할 수 있는 범용적·정량적 설계 원리를 제시했다.

분석 결과, 연구진은 6×20㎝, 총 120c㎡ 면적에서 평균 두께 15㎛, 편차 약 1㎛의 균일한 고체전해질 층을 구현했다. 반면 전극에 직접 코팅한 경우는 6×11㎝ 면적에서도 막 두께가 10~25㎛로 균일하지 않았다.

전해질 성능도 향상됐다. 25도에서 이번 하이브리드 고체전해질의 리튬이온 전도도는 일반 배터리에 널리 쓰는 PE 분리막에 동일한 고분자 전해질을 채운 비교군 보다 약 50% 높게 나타났다. 리튬이온 전달수도 0.69로 비교군 0.36의 약 2배였다.

직접 코팅 방식과 비교한 결과, 100회 충·방전 후 용량 유지율은 전사 인쇄 전지가 83.6%, 직접 코팅 전지가 36.1%였다.

안전성도 개선됐다. 파우치형 전지를 150도에서 2시간 30분 동안 시험한 결과에서도 전사 인쇄 전지는 안정적인 전압을 유지했다. 반면, 기존 PE 분리막 기반 전지는 분리막 수축으로 내부 단락이 발생해 약 10분 만에 전압이 급격히 떨어졌다.

연구팀은 향후 재료별 한센 용해도 지수와 실제 코팅·접착·전사 결과를 데이터로 축적하면 AI를 활용해 공정에 적합한 소재 조합을 미리 선별하는 연구도 가능할 것으로 보고 있다.

강영구 화학연 책임연구원은 “막을 전극에 직접 바르는 과정에서 발생하는 결함을 줄일 수 있어 대면적 생산 시 불량 감소와 생산수율 향상이 가능하다”고 말했다.

연구 결과는 소재 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 지난 9월 게재됐다.