황화리튬 사용없이 고체전해질 제조하는 공침법 기술, 세계 최초 개발

한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 차세대 전지로 불리는 전고체전지에 들어가는 황화물 고체전해질을 간단한 용액합성 방식으로 저렴하게 대량생산하는 새로운 기술을 세계 최초로 개발했다고 22일 밝혔다.전고체전지는 양극과 음극사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 액체가 아닌 고체로 대체한 차세대 배터리다. 불연성 고체를 사용하기 때문에 화재 위험이 없고 온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막도 필요없다. 전지 고용량화와 소형화, 형태 다변화 등 다양하게 활용할 수 있는 차세대 유망 기술로 꼽힌다.

KERI는 하 박사팀이 전고체전지 핵심인 고체전해질 가운데 가장 주목 받는 ‘황화물(Sulfide) 계열 고체전해질’을 적은 비용으로 대량 생산할 수 있는 새 공정기술을 개발했다고 밝혔다.

황화물계 고체전해질은 이온 전도도가 높고 연성(Ductility)이 커서 극판과 분리막 제조가 쉽다는 장점이 있으나 주원료인 황화리튬(Li2S) 가격이 비싸고 다른 원료와 혼합 공정에 높은 에너지가 필요한 볼밀법을 사용해야 하는 등의 단점이 있다. 이때문에 소량 생산에 그치고 가격도 100g당 수백만원에 이른다.

하 박사팀이 개발한 기술은 비싼 원료인 황화리튬을 쓰지 않고 단 한 번의 용액합성(One-pot) 과정인 간단한 공침법으로 황화물계 고체전해질을 싼값에 대량 생산할 수 있는 획기적인 공정 기술이다.공침법은 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법이다. 리튬이차전지용 양극 소재를 대량생산하는 산업 현장에서 많이 활용된다.

KERI 연구팀은 지속적인 연구를 통해 리튬과 황, 인, 할로겐 원소 등을 공침시키는 공정을 개발하고 공침 공정을 통해 기존 황화리튬을 사용하던 방식과 동일한 수준의 고체전해질을 제조할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

KERI에 따르면 공침법 공정으로 고체전해질을 제조하면 기존 황화리튬을 사용하는 공정보다 원료비가 15분의 1 수준으로 적게 든다. 볼밀법과 같은 고에너지 공정도 거치지 않게 돼 비용 절감 효과는 더 크다.

KERI 연구팀은 전고체전지 상용화 관건으로 꼽히는 ‘저가격’과 ‘대량생산’ 과제를 한꺼번에 해결한 기술이라고 설명했다.

KERI는 원천기술에 대해 국내외 특허 출원을 완료한데 이어 수요업체를 발굴한 뒤 기술이전을 추진할 계획이라고 밝혔다.

연구 개발자인 하윤철 박사는 “현재 황화물계 전고체전지 분야는 일본이 원천소재 기술을 선점하고 있는 가운데 우리나라는 고체전해질 제조공정 기술 우위를 통해 시장경쟁력을 확보해서 대응해야 한다”고 강조했다.

이를 위해 하 박사는 “이번에 개발한 신기술을 기업체에 이전해 공정라인 확대와 고체전해질 대량생산을 추진하고 전고체전지 상용화를 위한 다양한 제조기술 개발에도 힘을 쏟겠다”고 말했다.

한국전기연구원은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 전기전문연구 정부출연기관으로 경남 창원에 있다.

창원 강원식 기자 kws@seoul.co.kr/