[더테크 이지영 기자]  국내 연구진이 안전성이 높아 차세대 리튬이차전지로 알려진 전고체 이차전지용 핵심기술 개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기계적 전단시 쉽게 섬유화가 되는 바인더 소재를 기반으로 용매의 사용 없이 고체전해질 분말과 혼합공정을 통해 분리막을 개발했다고 16일 밝혔다.

이 고체전해질막은 제조가 간단하고 빠르며 매우 얇고 견고한 게 특징이다. 일반적으로 전고체 이차전지 연구에서는 제조공정에서 딱딱한 고체전해질 사용 시 막의 내구성을 높이기 위해 두께가 수백 마이크로미터(㎛)에서 1밀리미터(㎜)까지 두껍게 사용한다. 그러나 이는 기존 고분자 분리막 대비 너무 두꺼워 에너지 밀도의 손실이 매우 크다는 단점이 있었다.

연구진은 기계적 전단(힘)을 가할 시 섬유화 거동을 보이는 바인더 소재를 적용해, 건식공정을 통해 기존 상용화된 리튬이온전지 분리막 두께에 근접한 18㎛의 초박막형 고체전해질막을 제조했다.

이를 통해 연구진은 셀 부피를 대폭 감소시켜 고에너지밀도 및 고성능 전고체 이차전지를 만들었다. 1㎜ 두께의 후막형 고체전해질막 대비 최대 10배 이상 에너지 밀도를 높인 셈이다.

이번 연구에서는 기존 상용화된 고분자 분리막의 두께에 근접한 고체전해질막을 통해 충·방전 간 이온전달속도를 향상시키면서 동시에 셀 부피 및 무게를 대폭 감소, 고에너지 밀도의 전고체 이차전지 개발이 가능해질 것으로 보인다.

또한, 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계를 밝히면서 최적화된 초박막형 고체전해질막 개발을 위한 공정 표준도 제시했다. 따라서 앞으로는 제조 공정상에서 정확한 바인더의 양 투입으로 경제성있는 막 형태를 제조 가능하도록 했다.

박영삼 ETRI 스마트소재연구실 박사는“분리막 수준의 두께의 고체전해질막 대면적화 성공으로 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있어 가격경쟁력이 높은 전고체 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

ETRI 연구진은 이번 연구를 통해 고체전해질 박막화에 초점을 맞췄지만, 추가적인 이온전도 성능 향상 및 전극과의 안정적인 계면 제어를 위한 연구를 진행할 예정이다. 아울러 연구진은 초박막 고체전해질막이 적용된 파우치형 셀을 제조하고 안정적인 충·방전 결과를 보고해 상용화의 가능성도 함께 제시했다.

한편, 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 세계적인 학술지인 ‘스몰’지 온라인에 지난해 말, 표지논문으로 게재됐다.