KERI, 전고체전지용 업그레이드형 공침법 개발

산학연 협록 통해 기존 보유 공침법 업그레이드

용해·공침 현상 메커니즘 규명, 공정 최적화 실현

업그레이드형 공침법을 개발한 KERI 하윤철 박사(왼쪽) 및 KAIST 변혜령 교수. ⓒ한국전기연구원

한국전기연구원(KERI)은 하윤철 차세대전지연구센터 박사팀이 전고체전지용 황화물계 고체전해질을 더 빠르고, 품질 좋게 만드는 ‘업그레이드형 공침법’을 개발했다고 10일 밝혔다.

하윤철 박사팀은 먼저 리튬과 황, 촉매를 적정 비율로 혼합해 리튬의 순차적인 용해 정도에 따라 리튬폴리설파이드와 황화리튬이 연속적으로 형성되는 과정을 분석했다.

이를 3원소(Li3PS4 등) 및 4원소(Li6PS5Cl 등) 고체전해질의 합성 공정에 적용해 다양한 원료들이 빠르고 균질하게 용해·공침되는 기술을 개발했다.

KERI 공침법에 대한 정밀한 메커니즘 분석은 국내 최고의 대학 연구진이 맡았다.

변혜령 KAIST 교수팀은 리튬의 용해 정도에 따라 발생하는 각 중간산물의 화학적 분석을 주도하면서, 같은 대학 백무현 교수팀과 포항공과대학교(POSTECH) 서종철 교수팀의 양자 계산 및 음이온 질량 분석의 도움을 받아 정확한 분자 구조를 밝혀냈다.

이를 기반으로 대주전자재료는 실제 고체전해질 양산에 적용될 연속 공정에 관련 기술을 접목했다.

산·학·연의 협력으로 고체전해질 생산 시간을 14시간에서 4시간으로 대폭 줄일 수 있는 업그레이드형 공침법이 탄생한 것이다.

최적으로 합성된 고체전해질은 품질도 향상됐다. 기존 제조법들은 양산화(스케일업, Scale-up) 과정에서 낮은 이온전도도를 보여 고질적인 문제가 됐었다.

하지만 이번 업그레이드형 공침법을 양산화 과정에 적용하면 고체전해질의 이온전도도는 5.7 mS/cm를 기록해 액체전해질(~4 mS/cm) 수준을 넘어선다.

또 해당 고체전해질을 스마트폰 전지의 5분의 1 수준에 해당하는 700mAh 용량의 전고체전지 파우치셀에 적용해 상용 리튬이온전지(270Wh/kg)보다 높은 에너지 밀도인 352Wh/kg를 달성했다. 뿐만 아니라 전고체전지를 1000회 충·방전한 실험 결과도 80% 이상의 용량을 유지해 안정적인 수명도 확인했다.

하윤철 박사는 “기존 성과는 고체전해질 제조 방식에 공침 기술을 세계 최초로 도입했다는 데에 의의가 있다면,업그레이드형은 공침법의 원리를 상세하게 분석해 최적화를 실현하고 더 좋은 결과물도 만들어낸 성과”라며 “전고체전지를 저렴한 비용으로 대량생산하는 시대를 활짝 여는 마중물이 될 것”이라고 밝혔다.