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연구성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 인공지능과 로봇기술로 생기원형 스마트팜 만든다 |
占쏙옙占쏙옙占� 전기차, ESS용 바이폴라 구조 전고체전지 개발 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 생기원이라 가능한 기술 융합의 결실, 카멜레온형 서페이스 입체 디스플레이 |
# 연구책임자 : 제주지역본부 김호성 본부장
최근 국내외에서 전기차 및 ESS(Energy Storage System, 에너지저장시스템) 폭발 및 화재 사고가 발생하며 사회적 안전 문제로 불거지고 있다. 이는 현재 주로 사용되는 리튬이온전지에 폭발 및 발화 위험성이 있기 때문이다. 이런 가운데 생기원 제주지역본부 김호성 박사(본부장) 연구팀이 리튬이온전지의 안전성 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 차세대 전고체전지를 개발했다.
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리튬이온전지의 대안으로 떠오르는 전고체전지
대표적 이차전지인 리튬이온전지는 높은 에너지밀도를 가지는 양극과 음극 사이에 액체전해질을 넣어 이온의 이동에 의해 충전과 방전을 반복할 수 있어 스마트폰, 노트북, 전기차 및 ESS용 배터리로 광범위하게 사용된다. 그러나 리튬이온전지는 과열되거나 과충전될 경우 액체전해질의 분해 반응에 의해 전지가 부풀게돼 폭발 및 발화가 일어날 수 있다. 이런 사고를 방지하기 위한 대안으로 떠오르는 것이 바로 전고체전지이다.
전고체전지(Solid-state Battery)는 기존 전해액이 점유하는 격리막 및 전극의 기공 공간을 고체전해질 소재로 대체한 것으로, 액체전해질을 사용하는 전지보다 내열성과 내구성이 뛰어나 폭발이나 발화 가능성이 낮다. 이러한 상황에서 생기원 김호성 박사 연구팀이 국내 최초로 바이폴라 구조의 전고체전지 셀/스택을 개발해 주목받고 있다.
세계 최초 바이폴라 구조 전고체전지 셀/스택
이번 성과는 국가과학기술연구회의 창의형 융합과제로 진행됐다. 전고체전지에 들어가는 고체전해질은 산화물(Oxide), 황화물(Sulfide), 폴리머(Polymer) 세 가지 계열로 분류된다. 김호성 박사 연구팀은 산화물계 LLZO 소재에 기반한 복합고체전해질을 적용한 전고체전지 개발 연구를 진행했다. 산화물계에서는 가넷 구조의 LLZO(리튬, 란타넘, 지르코늄, 산소) 소재가 전위창* 및 안전성 면에서 우수한 것으로 알려져 있으나, 이온전도도**가 상대적으로 낮은데다 고가의 생산공정으로 인해 그동안 상용화에 어려움이 있었다.
*전위창 : 고체전해질 소재가 전기화학적 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않는 전압구간
**이온전도도 : 고체 내부에서 이온이 확산되는 속도로, 낮을 경우 용량 및 수명이 감소한다.
연구팀은 가넷 LLZO 고체전해질 분말 합성에 테일러 반응과 Ga-Al 원소 도핑 공정을 활용했다. 테일러 반응기(Taylor Reactor)를 사용하면 고효율의 나노입자로 연속 생산이 가능하다. 여기에 이종의 물질(갈륨, 알루미늄)을 도핑할 경우 이온전도성이 약 3배 이상 증가하는 특성을 확인했다.
연구팀은 합성한 LLZO 고체전해질 소재를 기반으로 고강도 박형 구조의 복합고체전해질 시트를 제작하고, 이를 단위셀의 전극기공 및 전해질층에 적용했다. 이 때 집전체의 한면이 복합 양극층, 다른 한면은 리튬 금속층, 그리고 가운데가 복합고체전해질층으로 구성되는 바이폴라 구조의 셀을 제작했다. 특히 이번에 개발한 바이폴라 구조 전고체전지는 파우치 외장재를 적용한 대면적(11㎝×12㎝)으로 제작되었다.
김호성 박사는 이번 연구의 가장 큰 성과로 바이폴라 구조 전고체전지 셀/스택 제작에 성공한 것을 꼽았다.
“바이폴라 구조로 대면적 단위셀을 10개까지 적층한 사례는 이번이 처음입니다. 필요에 따라 10개보다 더 많이 적층하는 것도 가능하고, 적층할수록 전압을 올릴 수 있어 전기차 및 ESS용으로 사용하기에 적합합니다.”
바이폴라 구조 전고체전지 셀/스택은 평균 방전전압 37V, 용량 8Wh급으로 제작됐다. 단위셀에 대해 0.33C 전류로 400 사이클 충방전 실험을 한 결과 약 84% 용량이 유지되는 특성을 보였다. 이는 기존 전고체전지보다 5배 이상 수명특성이 개선된 것이다. 또한 과충전에 의한 전압 급상승에도 외형 변화가 거의 없으며, 대기 중에서 셀/스택을 절단할 경우에도 폭발 및 발화 현상이 전혀 관찰되지 않았다.
세계 전고체전지 시장 겨냥, 본격 상용화 연구 필요
기존 리튬이온전지는 바이폴라 구조 설계가 어려워 고전압화에 한계가 있고, 이로 인해 과도한 외장재 적용으로 배터리 팩의 부피를 줄이는 것이 어렵다. 김호성 박사에 따르면 바이폴라 구조에 의한 전고체전지 양산에 성공할 경우 이 문제를 해결할 수 있다. 현재까지 개발한 전고체전지 요소기술에 기반한 기업 주도의 전고체전지 상용화 기술 개발이 시급히 요구된다고 강조했다.
▲ 전고체전지를 살펴보고 있는 김호성 본부장과 김민영 연구원. ⓒ한국생산기술연구원
“이번에 개발한 바이폴라 구조 전고체전지는 부피 에너지밀도를 약 445Wh/L 수준으로 향상시킨 것이 특징이며, 이러한 구조로 제품화될 경우 배터리 팩의 부피를 현재의 1/3 수준으로 줄일 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.”
일본 후지경제연구소는 2035년 세계 전고체전지 시장이 약 28조 원 규모로 커질 것으로 보고 있다. 시장 전망이 밝은 만큼 이번 연구의 상용화가 중요하다. 이미 고체전해질 소재 제조 분야의 기술이전을 진행했고, 국내외 배터리 제조업체와 셀/스택 사업화도 추진 중이다. 안전하면서도 에너지효율이 뛰어난 바이폴라 구조 전고체전지 셀/스택 제품이 상용화되면 전기차와 ESS의 안전성 및 시장 확대에 크게 기여할 것으로 기대된다.