화재·폭발 없는 전기차·ESS용 배터리 국산화에 한걸음

리튬이온 배터리용 액체재료 대체할 고체재료 개발
KIST 김형철 박사팀, 생산공정 단축해 日 재료 능가

KIST 김형철 박사팀에서 개발한 수퍼이온전도성 고체전해질 신소재. 코인셀에 들어가는 원형의 형태로 제작했다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 전기차나 에너지저장장치(ESS)용 리튬이온 배터리에 들어가는 액체 재료를 대체할 고체 재료를 개발했다. 연구진은 이 재료가 폭발이나 화재 위험성이 전혀 없으며 일본이 개발한 재료에 비해 생산 공정시간을 대폭 줄여 상용화할 가능성이 높다고 전망했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 김형철 박사팀이 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다고 26일 밝혔다. 황화물로 만든 고체전해질은 현재 상용화 리튬이온 배터리의 양극과 음극 사이에 위치한 액체전해질의 성능과 동등한 수준이다. 또한 일본에서 개발한 고체전해질이 생산 공정시간이 며칠 걸리는데 반해 김형철 박시팀이 개발한 황화물계 전해질은 10시간 이내로 단축해 생산성을 높였다.

리튬이온 배터리 속 전해질은 충방전때 양극과 음극 사이에 이온이 지나가는 길 역할을 한다. 현재 상용화된 배터리는 액체전해질을 사용해 이온 이동을 원활하게 하고 있다. 액체전해질은 고온, 고압과 함께 수분이 존재하면 리튬과 반응해 폭발할 위험이 있다.

김형철 박사팀이 개발한 전고체전해질은 상온에서 기존 액체전해질과 동등한 수준인 10.2㎳/㎝의 이온전도도를 확보했다. 또한 다양한 배터리 운전 조건에서 전기화학적 안정성도 유지했다. 영하 30℃부터 20℃ 간격으로 2시간씩 유지하면서 테스트를 진행한 것이다. 김형철 박사는 "영하 30℃에서 영상 150℃ 상태에서 안정적으로 배터리가 작동하는 실험을 진행했다"고 말했다.

연구팀은 전고체전지가 일본을 비롯한 외국 연구진이 선두에서 주도하고 있는 상황에서 우리나라의 원천 기술로 양산성 있는 고성능 배터리 소재 기술을 개발한 것에 큰 의의를 두고 있다.

에너지소재연구단 김형철 박사팀이 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재 원리. KIST 제공

한편, KIST 연구팀이 연구성과를 공개하기에 앞서 삼성전자 종합기술원에서는 전고체 리튬이온 배터리 개발을 발표했다. 이 배터리는 크기를 절반으로 줄이고도 1회 충전에 800㎞ 주행이 가능하며 1000회 이상 충전이 가능하다. 삼성은 기존 상용화된 배터리 재료중 음극 재료를 개발한 것이다. 일반적인 리튬이온 배터리는 음극 재료에 흑연 성분을 사용했지만 삼성은 리튬메탈을 적용해 최적의 배터리를 만들었다.

김 박사는 "우리나라에서 개발한 최신 기술들을 합쳐 배터리가 만들어진다면 경제성과 안정성 면에서 좋을 것 같다"고 말했다.

[e-mail] 김만기 기자