값비싼 황화리튬 사용않고 1회 용액합성으로 대량생산 가능
올해 전고체배터리 전기차 선보이는 日 추격 발판될 수 있어 국내 연구진이 공침법을 이용해 전고체전지용 황화물 고체 전해질을 저가로 대량합성하는 신기술을 세계 최초로 개발했다.
이로써 화재 위험이 없어 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체전지 상용화에 한발짝 다가서게 됐다.
한국전기연구원(KERI)은 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀이 고가의 황화리튬을 사용하지 않고 습식 공정의 일종인 공침법(Coprecopitation method)을 이용해 전고체전지용 황화물 고체 전해질을 저가로 대량합성하는 신기술을 세계 최초로 개발했다고 22일 밝혔다.
이 공정법은 값비싼 황화리튬 사용 없이 단 한 번의 용액합성(One-pot) 과정만으로 황화물계 고체 전해질을 저가로 대량생산할 수 있다. 고체 전해질 제조를 위한 순수 원료비는 기존 재료에 비해 6~7% 수준으로 저렴하며, 고에너지 공정을 거치지 않아도 돼 비용 절감 효과는 더욱 크다.
전고체배터리는 글자 그대로 '모두 고체로 만들어진 전지'를 뜻한다. 현재 전기차 등에 탑재된 배터리는 내부는 액체로 가득하다. 전해액이 담겨 있어서다.
고체 배터리는 액체 전해질을 고체로 대체하려는 시도다. 고체로 바꾸면 화재와 누출이 없어 안정성이 확보된다.
전고체전지용 고체전해질에 대한 연구는 원료에 따라 크게 산화물 계열, 고분자 계열, 황화물 계열로 나누어 진행되어 왔다. 특히 황화물 계열은 리튬이온 전도도가 액체 전해질에 필적할 정도의 슈퍼이온전도체 특성을 보유하고 있어, 실용화 관점에서 가장 많은 관심을 받고 있다.
황화물 계열 고체전해질은 이온 전도도가 높고 연성이 커서 극판과 분리막 제조가 쉽다는 장점이 있으나 주원료인 황화리튬 가격이 비싸고, 다른 원료와 혼합 공정에 높은 에너지가 드는 '볼밀법'을 사용하는 단점이 있다.
이러한 이유로 결과물도 소량 생산에 그치고 있으며 100g당 가격이 수백만 원에 이른다.
하윤철 박사팀은 값비싼 황화리튬 사용 없이 단 한 번의 용액합성(One-pot) 과정만으로 황화물계 고체전해질을 저가로 대량생산할 수 있는 길을 열었다. 하 박사팀의 공침법은 여러가지 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법으로, 리튬이차전지용 양극 소재를 대량생산하는 산업 현장에서 가장 많이 활용되는 방법이다.
하 박사팀은 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.
이번 새 공정법은 전고체전지 상용화의 관건인 '저가격'과 '대량생산' 이슈를 동시에 해결할 수 있게 됐다.
하윤철 박사는 "현재 황화물계 전고체전지 분야에서 일본이 원천소재 기술을 선점하고 있다면, 우리는 고체전해질 제조공정 기술 우위로 시장경쟁력을 확보하여 대응해야 한다"고 강조했다.
현재 전기차에 탑재되는 리튬이온전지는 중국·한국이 높은 점유율을 갖고 있다. 일본은 차세대 기술인 전고체전지로 향후 주도권 확보를 노리고 있다. 일본의 토요타는 관련 보유 특허만 1000개를 넘어 세계 최고의 기술을 가지고 있고 올해 전고체배터리가 탑재된 전기차를 내놓을 예정이다.
국내에서도 다양한 시도가 이뤄지고 있다. 삼성SDI는 삼성삼성종합기술원과 함께 전고체전지 개발에 한창이다. 삼성종합기술원은 지난해 전고체전지의 수명과 안전성을 높이는 동시에 크기를 반으로 줄일 수 있는 원천 기술을 세계적인 학술지 '네이처 에너지'에 게재했다.
LG에너지솔루션은 2025년 전고체배터리 샘플을 내놓겠다고 발표했고, SK이노베이션은 세계 각지 연구기관 및 대학교와 함께 차세대 배터리 후보군에 대한 자문 그룹을 운영하고 있다.
현대자동차는 이들 배터리3사중 하나와 전고체전지 합작회사를 만들 수도 있다고 업계는 내다봤다.
KPI뉴스 / 김혜란 기자 khr@kpinews.kr
[저작권자ⓒ KPI뉴스. 무단전재-재배포 금지]
