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KETI, 전고체전지 보호층 기술 개발…전기차 화재 위험 낮춘다

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 고려대 유동주 교수팀, 성균관대 윤원섭 교수팀과 함께 전고체전지의 에너지 밀도와 안전성을 높이는 리튬금속 보호층 기술개발에 성공했다고 5일 밝혔다. 전고체전지는 기존 리튬이차전지와 달리 고체 형태의 전해질로 구성되기 때문에 폭발 위험이 없어 안전하면서도 에너지밀도가 높은 장점이 있어 현재 기술 상용화를 위한 범국가적 연구개발(R&D) 경쟁이 치열하다. 리튬금속 음극은 기존 흑연 음극보다 에너지밀도가 높은 최적 소재임에도 전해질과 리튬금속 사이에서 부반응이 발생하고 충전 시 음극 표면에 덴드라이트가 발생하기 때문에 전지 폭발 등 화재 가능성이나 전지 수명을 저하한다는 문제점을 안고 있었다. KETI 차세대전지연구센터는 나노 입자 실리콘 분말을 활용해 높은 이온 전도성을 가진 리튬금속 보호층을 개발, 최종적으로 리튬금속 전고체전지의 출력 성능을 높였다. 기술개발을 주도한 이긍종 연구원과 최승호 박사(선임연구원)에 따르면 나노 사이즈 실리콘 분말로 구성된 보호층은 리튬 금속과 실리콘-리튬 합금을 형성해 음극 표면의 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인했다. 또 이번 연구로 개발한 합금 보호층 기술을 제작 공정에 적용해 높은 출력 환경에서의 안전성을 확보, 파우치형 셀 검증을 통해 기술 상용 가능성을 증명했다. 연구 결과는 에너지화학 분야의 저명한 국제학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF=19.3) 최신호(8월 발간)에 게재됐다. 유지상 KETI 차세대전지연구센터장(교신저자)은 “전고체전지의 에너지밀도를 높이기 위해서는 리튬금속 음극 적용이 필수적이나, 리튬 덴드라이트 현상은 전지 개발의 큰 걸림돌로 작용해왔다”며 “KETI 연구진이 개발한 리튬금속 보호층 기술은 대면적화가 가능해 전고체전지 성능을 향상하는 핵심 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 연구 성과는 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 STEAM 연구사업을 통해 개발됐다.

2024.09.06 11:58주문정

삼성SDI, 불황에도 투자 곳간 푼다…전고체·46파이 개발 집중

지난해 국내 배터리셀 3사 중 상대적으로 투자에 보수적이었던 삼성SDI가 전방 시장이 둔화된 올해 투자에 적극 나서고 있다. 현재 일시적인 수요 정체(캐즘) 시기를 지나 중장기적으로는 시장이 급성장할 것이란 전망 하에 미래 성장 동력을 선제적으로 확보한다는 전략이다. 삼성SDI는 30일 2분기 실적발표 컨퍼런스콜에서 올해 상반기 투자액이 전년 동기 대비 두 배 이상이라며, 전고체 배터리나 지름 46mm 원통형 배터리인 '46파이' 등 중심의 투자를 지속 추진한다고 밝혔다. 전년 동기 대비 분기 실적이 두 자릿수 이상 하락했음에도 투자 계획을 유지하기로 한 것이다. 삼성SDI는 2분기 연결 기준 잠정 실적으로 매출 4조 4천501억원, 영업이익 2천802억원을 기록했다고 밝혔다. 전년 동기 대비 매출은 23.8%, 영업이익은 37.8% 하락한 수치다. 김윤태 삼성SDI 경영지원실 상무는 "배터리 사업의 중장기 성장성에는 변화가 없다고 본다"며 "올해는 헝가리 법인 증설과 미주 스텔란티스와의 합작(JV) 1공장 건설 등 확보된 수요 대응과 전고체 배터리, 46파이 배터리 등 중장기 성장을 위한 필수적 투자를 집행하고 있어 계획에 큰 변동이 없다"고 말했다. 다만 "단기적 전기차 수요 약세 지속과 OEM들의 전동화 전략 변화도 감지된다"며 "시장 변화를 적극적으로 모니터링해 시장에 맞춘 최적의 투자 결정을 할 것"이라고 덧붙였다. 차세대 배터리로 공을 들이고 있는 전고체 배터리의 경우 하반기엔 생산 공법 확정과 더불어 일부 시설 투자도 진행할 계획이다. 손미카엘 삼성SDI 중대형전지 전략마케팅실장은 "2분기 들어 기존 고객 외 글로벌 프리미엄 OEM의 추가 요청으로 샘플을 공급해 성능 평가를 진행하고 있고, 개발 로드맵 상 목표한 성능 수준도 확보했다"며 "배터리 크기와 용량을 확대해 다음 단계 샘플을 생산 및 공급하고, 제품 양산을 위해 고객과 프로젝트 논의를 보다 구체화해나갈 계획이 있다"고 했다. 46파이 배터리의 경우 최근 마이크로모빌리티 관련 프로젝트를 수주해 내년 초 양산을 개시할 계획이다. 조한재 삼성SDI 소형전지사업부 전략마케팅팀장 부사장은 "비록 전기차 프로젝트는 아니지만 양산 시점을 기존 목표보다 1년 앞당겨 양산 능력과 제품 경쟁력을 시장에서 빨리 입증할 수 있게 됐다"며 "주요 OEM들과도 논의를 활발히 진행해오고 있어 전기차용으로도 단기간 내에 가시적 성과를 낼 것으로 기대한다"고 밝혔다. 삼성SDI는 캐즘이 길어지고 있는 전기차 시장에 대응해 중저가 모델용 제품과 전기차 과도기 속 인기가 높아진 플러그인하이브리드차(PHEV)용 배터리 공급을 준비 중이다. 손미카엘 실장은 "보급형 전기차 수요 증가에 대응하기 위해 코발트프리(NMX), 리튬인산철(LFP) 양극재를 활용한 플랫폼을 준비해왔다"며 "하반기 중 플랫폼 개발을 완료해 2026년 양산을 목표로 고객들과 구체적 논의 및 수주 활동을 진행 중"이라고 언급했다. PHEV 관련 신규 프로젝트 요청도 증가하고 있다고 덧붙였다. 삼성SDI는 최근 새 성장 동력으로 꼽히는 에너지저장장치(ESS) 산업에서 미국 최대 전력 기업인 넥스트에라에너지에 대규모 ESS 배터리 납품 계약을 체결하는 등 성과를 내고 있다. 손미카엘 실장은 "중국산 저가 제품이 점유율을 확대해왔으나 지정학적 리스크 등 우려가 커지면서 자사 제품 비즈니스 기회가 북미에서 확대되고 있다"며 "기존 제품인 SBB 용량 확대와 더불어 고품질 LFP 제품을 준비하고, 사업 확대를 위한 글로벌 현지 생산 거점 확보 등 다양한 전략을 검토 중"이라고 말했다. ESS 시장은 특히 최근 빅테크 기업의 기술 경쟁이 치열한 인공지능(AI) 데이터센터 관련 수요도 증가하는 추세다. 삼성SDI는 이와 관련된 ESS 배터리 납품 성과도 쌓았다고 강조했다. 윤경호 삼성SDI 전자제조사업부 상무는 "2030년까지 AI 관련 전력 소비량이 3배 이상 확대될 것으로 전망됨에 따라 전력 안정화를 위한 ESS와 데이터센터 필수 인프라인 무정전전원장치(UPS) 수요도 급증할 것"이라며 "SBB와 UPS를 활용해 대형 전력 회사들과 긴밀히 협력하고 있고 이미 내년, 내후년 물량까지 상당 부분 확보돼 있다"고 했다.

2024.07.30 13:59김윤희

KETI, 전고체전지 차세대 양극 기술 개발 성공

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 전고체전지의 에너지·출력 특성을 개선하는 건식 전극용 첨가제 기술을 개발하고 연구 결과를 국제 저명 학술지에 게재했다고 17일 밝혔다. 전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지다. 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지보다 에너지 밀도가 높아 국제적으로 기술 상용화를 위한 원천 기술 확보의 경쟁이 치열하다. 전고체전지에 적용할 수 있는 건식 전극은 습식 제조할 때 쓰는 용매를 사용하지 않아 양극과 음극 활물질층을 두껍게 쌓아 올린 '후막 전극' 구현이 가능하지만, 높은 압력으로 인해 전극 내 기공이 발생해 에너지 밀도가 낮아지는 문제점을 해결해야 하는 게 관건이었다. KETI 차세대전지연구센터(센터장 유지상)는 건식 전극의 제조 공정에서 입도(입자의 크기)가 제어된 리튬염(LiPO2F2) 소재 첨가제를 혼합해 황화물계 전고체전지용 양극을 얇게 구현, 동일 부피당 높아진 용량과 출력 특성을 확보했다. 기술 개발을 주도한 김현승 박사에 따르면 연구진은 고체전해질보다 미립인 전극 첨가제를 설계해 투입함으로써 전극 기공도를 줄였고 해당 입자가 양극 표면에서 보호 피막을 형성하는 특성까지 복합적으로 형성해 전고체전지의 고에너지 밀도 성능 자체를 총체적으로 개선하는 데 성공했다. 또 리튬염 첨가제를 도입해 전극의 화학-기계적 안정성을 개선, 양극 균열 발생과 표면 부반응을 줄였다. 이번 연구 결과는 에너지화학 분야의 세계적인 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=29.698)' 최신호(4/12 발간)에 게재됐다. 논문의 교신저자인 조우석 수석연구원(박사)은 “전고체전지의 급속 충전 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 높은 이온 전도도를 가지는 고체전해질 소재에 집중돼 있지만, 양극과 음극재 구현 기술 역시 중요성이 크다”며 “KETI는 단입자 형태의 NCM 양극재 기술, 석출형 음극재 공정기술 등 전고체전지 분야 차세대 소재 기술을 다수 보유하고 있다”고 밝혔다. 유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI는 일련의 양극재 기술을 융합해 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량인 양극 후막 기술을 적용, 4분 충전에 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보했다”며 “센터는 해외 우수 기술을 넘어서는 핵심 원천 기술을 지속 확보해 국내 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 말했다. 한편, 이번 연구 성과는 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원의 지원을 받은 자동차산업기술개발 사업으로 이뤄졌다.

2024.04.17 10:33주문정

'폭발위험 없는 배터리 "성큼"

폭발·화재 위험 없는 전고체전지 상용화에 한 걸음 다가선 새로운 공정 기술이 개발됐다. 차세대 휴대폰 배터리 활용 가능성을 높인 연구 결과물이다. 한국전기연구원(KERI) 은 차세대전지연구센터 소속 박준우 박사와 성정환 연구원(UST KERI 캠퍼스 학생 연구원)이 공정 과정과 비용은 절반 이하로 줄이고, 품질은 2배 이상 높인 '고체전해질(황화물계) 입도 제어 및 습식 합성 공정' 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. ■개발이유 전고체전지는 양(+)극과 음(-)극 사이에서 이온을 전달하는 '전해질'을 액체가 아닌, 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다. 하지만, 고체전해질은 전고체전지(특히 양극(+))에 활용되려면 입자 크기가 머리카락 굵기의 100분의 1에 해당하는 수 마이크로미터 수준으로 매우 작아야 한다. 그동안 국내외 많은 연구진이 다양한 방법으로 제조했던 고체전해질은 입자가 커서 기계적인 분쇄 등 별도의 공정이 필요했다. 이 과정에서 시간적·물리적 비용 소모가 드는 것은 물론, 분쇄로 인한 고체전해질의 성능 저하는 상용화를 막는 큰 걸림돌이었다. ■개발성과 연구팀은 단순한 공정만으로 미세하고 이온 전도도까지 높은 고체전해질을 대량으로 생산하는 기술을 개발했다. 연구팀은 미세한 원재료(황화리튬 등)를 도입하고, 각각의 물질이 화학 반응으로 발생시키는 '핵 생성(Nucleation)' 속도를 제어해 최종 생성물의 입도를 크게 줄이는 방법을 활용했다. 복잡한 과정 없이 간단한 습식 합성 공정만으로 미세한 고체전해질을 제조할 수 있게 된 것이다. 이러한 화학적 조성 제어로 결과물의 이온 전도도는 기존 고체전해질 공정(고에너지 볼밀링을 통한 '건식 합성' 및 분쇄)보다 약 2배 이상(2mS/cm -> 4.98mS/cm) 높았다. ■향후계획 관련 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지 분야 국제 저명 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)'의 3월호 논문으로 게재됐다. 학술지의 영향력을 평가하는 'JCR Impact Factor'는 20.4로, 해당 분야 상위 5.2%에 속한다. 성과의 특허 출원 등을 다수 확보한 KERI는 관련 기술이 전고체전지 업계의 많은 관심을 받을 것으로 보고, 수요 기업을 적극 발굴해 기술이전을 추진할 계획이다. KERI 박준우 박사는 “원재료의 적절한 선택과 화학 반응의 확실한 제어로 탄생한 연구원만의 '단순 공정'으로 고체전해질을 미세화하기 위해 진행됐던 복잡하고 비싼 공정을 건너뛸 수 있게 됐다”라며 “매우 간단해진 공정에도 고체전해질의 품질은 훨씬 뛰어나 양산화·상용화를 위한 '기업 접근성'과 '효율성'을 모두 확보했다”라고 전했다. 이 연구는 KERI 기본사업과 산업부의 '나노융합혁신제품기술개발 지원 사업'으로 수행됐다. 한편 KERI는 '특수 습식합성법(특허받은 특수 첨가제를 통해 10분의1 수준의 저렴한 원료(출발물질)로도 고체전해질을 대량 생산하는 기술)' 제조 공정 기술도 보유했다.

2024.03.18 10:53박희범

롯데에너지머티리얼즈, '고체 전해질' 생산 설비 구축 착수

롯데에너지머티리얼즈(대표 김연섭)는 5일 전북 익산2공장에 150억원을 투자해 차세대 전고체 배터리의 핵심 소재인 황화물계 고체 전해질 생산을 위한 파일럿 설비 착공식을 진행했다고 밝혔다. 2018년부터 고체 전해질 연구를 시작한 롯데에너지머티리얼즈는 익산2공장 부지 1천619㎡를 활용해 오는 6월 말까지 연산 최대 70톤 규모의 파일럿 설비를 갖출 계획이다. 올해 연말까지 시험 가동, 안정화 단계를 거쳐 본격 가동에 들어간다는 방침이다. 동시에 국내외 전고체 전지 관련 기업에 샘플을 공급하고 내년 내 공급 계약을 따낸 뒤, 2026년 양산을 목표로 연산 1천200톤 규모의 생산 설비를 확장 구축할 계획이다. 전고체 배터리는 차세대 배터리를 구성하는 핵심 요소 중 하나이자 리튬이온을 운반하는 전해질을 액체에서 고체화 한 것으로 크게 황화물계, 산화물계, 폴리머계로 나뉜다. 롯데에너지머티리얼즈는 이 중 물성이 우수한 황화물계 고체 전해질을 저비용 건식합성 공법과 특수 습식합성 공법을 적용해 고이온전도 나노급 제품을 개발했다. 특히 황화물계 고체 전해질은 수분에 민감해 이슬점이 -50℃ 이하의 드라이룸에서 제조 및 취급한다. 롯데에너지머티리얼즈는 정부R&D 과제를 통해 기존 리튬이온배터리(LIB) 공정의 이슬점인 -35~-45℃에서도 제조 및 취급할 수 있는 고이온 전도 수분 안정형 황화물 고체 전해질을 추가 개발하고 있다. 해당 제품은 수분 안정성이 높아 고체 전해질과 전고체 전지 제조 시 드라이룸 운영비를 낮출 수 있고 기존 LIB 드라이룸 공정 조건을 유지할 수 있어 별도 투자 없이 현재 공정 조건을 그대로 적용할 수 있다. 김연섭 롯데에너지머티리얼즈 대표이사는 “많은 배터리 기업과 소재사들이 고체전해질 연구개발 및 사업화를 추진하며 업계 간 경쟁이 치열해지고 있다”며 “선제적인 투자를 통해 우리만의 차별화된 품질과 원가 경쟁력을 바탕으로 주요 고객사를 확보해 나가겠다”고 밝혔다.

2024.02.05 14:09김윤희

산화물계 복합 전해질 소재 개발···불 안 나는 전고체 전지 에너지 밀도 향상

산화물계 소재 함량을 크게 높인 복합 고체 전해질을 활용, 기존 이차전지의 에너지 밀도를 넘긴 전고체 전지가 개발됐다. 한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 상온에서도 높은 이온전도성을 가진 전고체 전지용 복합 고체전해질을 개발했다고 21일 밝혔다. 에너지저장연구단 장보윤 박사 연구진은 산화물계 고체전해질 함량을 기존 한계였던 30%에서 80%까지 높여 이온전도성과 안정성을 끌어올렸다. 또 고분자를 바인더로 활용해 소재 간 결착력과 안정성을 강화, 얇게 만들기 어렵다는 산화물계 전해질의 단점을 극복했다. 이에 따라 제작에 롤투롤 공정을 적용할 있게 됐다. 이 전해질을 적용한 전고체 전지는 310Wh/kg의 높은 에너지 밀도를 보였으며, 구부리거나 자르는 극한 상황에서도 안정적으로 작동했다. 전고체 전지의 고체전해질 소재로는 황화물계와 산화물계, 고분자계 등이 쓰인다. 산화물계는 안정성이 높고 공정비용이 낮지만, 얇게 만들기 어렵고 쉽게 깨지는 등의 문제가 있다. 연구진은 산화물 고체전해질이 80% 함유된 중간층과 이온전도성 첨가제를 함유한 고이온전도성 고분자 전해질이 위아래층으로 있는 샌드위치 구조의 복합 고체전해질을 개발했다. 이같은 샌드위치 구조를 통해 양극과 음극이 맞닿은 부분의 저항은 줄이고, 함량이 높은 고체전해질은 이온전도성을 10배 이상 향상시켰다. 또 복합 고체전해질에 적용된 고분자 전해질로 유연한 특성을 구현, 강도가 약해 얇게 만들기 어려웠던 산화물계 고체전해질의 한계를 극복하고 대량 양산 가능성을 열었다고 연구진은 설명했다. 장보윤 박사는 "대기업이 황화수소 발생 가능성이 있는 황화물계 고체 전해질 중심으로 개발하는 추세에서, 출연연 주도로 안전하고 우수한 산화물계 고체 전해질 기술 개발과 사업화 가능성을 제시했다는 점에 의의가 있다"라며 "기존 한계를 극복하는 배터리 소재 확보를 통해 전기자동차 시장의 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다"라고 말했다. 이 기술은 전고체 전지 스타트업 에이에스이티(대표 박석정)에 1차 기술이전을 완료했다. 이 회사는 2026년 전기자동차용 전고체 전지 상용화를 목표로 하고 있다. 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 기술이전 1건과 특허 등록과 출원 12건, SCI급 학술지 4건 게재 등의 성과를 달성했다.

2023.11.21 13:18한세희

KETI, 첨가제 기술로 전고체전지 제조 공정 경제성 확보

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 전고체전지의 핵심 소재인 황화물 고체전해질의 대기 안정성을 향상하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 개발성과는 국제 저명 학술지 최신호에 실렸다. KETI 차세대전지연구센터 조우석 박사팀(수석연구원)은 호주 연구중심 공립대학인 울런공대(김정호 교수 연구팀), 경희대(박민식 교수 연구팀)와 해외 공동연구를 통해 황화물 고체전해질 내 특수 나노입자를 소량 첨가해 대기 노출 시에도 유해가스 발생량을 획기적으로 감소시켰다. KETI 관계자는 “황화물 고체전해질 기반 전고체전지는 전기자동차 등 대면적·고용량 전지 제조에 적합해 글로벌기업을 중심으로 기술 상용화를 위한 R&D 경쟁이 치열하지만 대기 중 수분에 취약해 유해가스인 황화수소가 발생한다는 단점이 있다”며 “이 때문에 전지 성능이 저하될 수 있어 수분이 극도로 제어된 드라이룸 등 고비용 시설에서 공정을 진행해야 하는 어려움이 있었다”고 설명했다. 연구진은 금속 유기 골격체(MOFs) 일종인 ZIF-8(Zeolitic imidazolate FRAMEwork-8) 입자가 수분과 황화수소 가스를 동시에 흡착하는 특성을 활용해 대기 노출시 황화물 고체전해질에서 발생하는 황화수소 가스 발생량을 90% 감소시켰고 이온전도도 하락도 25% 수준으로 억제했다. 연구진은 ZIF-8 첨가제를 기반으로 로딩(단위면적 당 전극 활물질의 양) 40mg/cm2의 건식 전극을 특수 드라이룸이 아닌 일반 대기 환경에서 제조하고 전극 용량 7.3mAh/cm2(리튬이온전지 2배 수준)의 전지를 상온 100회 충·방전 테스트를 진행한 결과, 98.4%의 수명 유지율을 확보하는 등 고체전해질의 대기 안정성을 극대화했다. 연구 개발을 주도한 조우석 박사에 따르면 기술 적용을 통해 운용 비용이 저렴한 일반 드라이룸 혹은 유사 환경에서의 전극 제조가 가능해졌기 때문에, 앞으로 공정 가격 저감에 기여해 전고체전지 상용화를 앞당길 전망이다. 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원 지원으로 추진된 이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지인 ACS Nano(IF=18.027) 최신호에 '수분 흡수재로 강화된 전고체전지용 건식 전극'의 제목으로 게재됐다. 유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI는 전고체전지 소재와 전극 요소 기술 뿐만 아니라 전지 제조 기술까지 차세대전지 분야 폭넓은 연구를 진행하고 있다”며 “전고체전지 분야 국내 핵심 연구기관으로서 차세대전지 상용화 연구에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

2023.09.07 12:05주문정

KETI, 전고체전지 특화 고출력·장수명 양극재 기술 개발

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)이 전고체전지의 높은 충전 및 수명 특성을 가지는 양극재 제조 기술을 개발, 관련 내용이 화학공학 분야 국제 저명 학술지 최신호에 게재됐다고 25일 밝혔다. 전고체전지는 기존 리튬이온전지 양극과 음극 사이를 채우는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지다. 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지보다 에너지 밀도가 높아 기술 상용화를 위한 글로벌 기술 경쟁이 치열하다. 특히 양극재는 배터리 용량과 출력을 결정짓는 핵심적인 요소이지만, 전고체전지 이온전도 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 고체전해질 소재에 집중된 한계가 있었다. KETI 차세대전지연구센터 조우석 박사팀은 니켈·코발트·망간(NCM) 양극재 입자를 소입경(입자 크기 5μm) 단입자 형태로 제조하는 기술을 개발, 전고체전지에 특화된 최적의 양극재 설계 환경을 구현했다. NCM 양극재 내부 구조를 단일 입자로 제조하면 기존 다입자 형태 경계면에서 발생하는 저항을 최소한으로 줄일 수 있다. 또 소입경화하면 양극재 표면에서 중심까지의 리튬 이온 이동 거리를 단축하고 전달 속도를 높일 수 있다. KETI 연구진은 양극재 내부 이온 전달 경로를 최적화해 방전율 5C(배터리 용량의 5배 전류 사용) 환경에서 가용 용량을 기존 41%에서 74%까지 끌어올렸다. 또 단입자 형태 양극재 물질은 다입자보다 입자 강도가 높기 때문에, 반복적인 충방전을 하더라도 입자 균열(크랙)이 거의 발생하지 않아 배터리 수명을 길게 유지해 주는 특성을 보였다. 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원의 지원을 통해 추진된 이번 연구 결과는 화학공학 분야 세계적인 학술지 'Chemical Engineering Journal(IF=16.744)' 최신호(470호)에 '전고체전지용 니켈 리치 양극재의 단일 입자 구조 형성'의 제목으로 게재됐다. 유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI 연구진은 보유한 양극재 제조 기술을 융합해 기존 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량에 6분 동안 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보하는 등 전고체전지 분야 초급속 충전 기술을 선도하고 있다”며 “센터는 선진국을 앞서는 핵심 기술을 지속 확보해 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 밝혔다.

2023.07.25 15:27주문정

차세대 이차전지 세계 1등 위해 민관 손잡는다

국가전략기술 중 하나인 이차전지 분야 연구개발에 민간 수요를 반영하기 위한 차세대 이차전지 민관협의체가 13일 출범했다. 서울 양재동 엘타워에서 열린 이번 행사에는 산학연 대표기관으로 한국배터리산업협회, 한국전기화학회, 한국공업화학회, 국가과학기술연구회 등이 참여했다. 관련 대학과 연구소 관계자, 국내 대표 배터리 기업인 삼성SDI, LG에너지솔루션, SK온 등에서 약 100여명이 참석했다. 차세대이차전지 민관 협의체 참여 기관과 기업은 이날 각계 소통 및 교류 지원과 함께 정부의 이차전지 R&D 정책‧사업에 민간의 수요와 의견을 상시적으로 반영한다는 내용의 협약도 맺었다. 민간 수요에 근거한 신규사업 기획, 정책 및 사업 계획 공유, 성과 교류, 전문 인력 양성, 국제협력 기반 조성 등을 위해서도 협력한다. 우리 정부는 세계 기술 패권 경쟁에 대응, 올해 초 '국가전략기술 육성에 관한 특별법'을 제정하고 신성장 4.0전략의 하나로 지난 4월 반도체‧디스플레이‧이차전지 등 3대 주력기술 분야 초격차 R&D 전략을 발표한 바 있다. 이의 이행을 위한 후속조치로 반도체와 디스플레이 분야 민관협의체를 구성했으며, 이번에 이차전지 협의체를 출범한다. 협약식 후앤 과기정통부가 '차세대이차전지 R&D 추진방향'을 소개했고, 이차전지 분야 권위자인 선양국 한양대 교수의 '미래를 저장하는 기술, 차세대이차전지' 발표와 LG에너지솔루션 손권남 차세대전지개발센터장의 차세대전지 개발 현황 발표가 이어졌다. 또 이날 엘타워에서는 정부 지원 이차전지 연구 성과를 소개하는 '이차전지 성과 전시회'도 함께 열렸다. 한국화학연구원의 ▲고에너지밀도 리튬이온전지 핵심 소재 기술 ▲고용량‧고안전성 리튬황전지용 핵심소재기술 ▲고용량‧고안전성 전고체전지 핵심소재기술, 한국과학기술연구원의 ▲초고안정성 전고체전지 핵심기술 개발 및 대면적 전고체전지 기술 ▲소금을 활용한 초저가형 소듐(나트륨)이온전지 기술, 한국전기연구원의 ▲차세대 전고체전지 및 리튬황전지 소재‧전극‧셀 제조기술, 한국에너지기술연구원의 ▲전기자동차(EV)용 전고체 이차전지 성능 향상 혁신 기술 ▲재생에너지 변동성 제어가 가능한 저가 장주기 플로우배터리 ESS, 포항공과대학교의 ▲전기자동차용 차세대 리튬 금속 이차전지 기술 등의 성과들이 전시되었다. 이종호 과기정통부 장관은 "오늘 차세대이차전지 민‧관 협의체 출범을 계기로 정부와 산업계, 학계, 연구계의 주요 기관이 함께 상시적이고 지속적으로 협력하여 2030년 차세대전지 1등 국가 실현의 시기를 앞당길 수 있기를 바란다"라며 "정부도 전략적으로 R&D 지원을 강화해 나가겠다"라고 밝혔다.

2023.07.13 15:16한세희

전고체전지 전해질 생산 비용 25분의 1로 줄였다

한국전기연구원(KERI, 원장 김남균)은 값비싼 황화리튬이나 별도 첨가제 없이 전고체전지용 고체 전해질을 대량 생산하는 간단한 공정 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 고체전해질 제조법으로는 고에너지 볼 밀링(ball milling) 공정을 이용한 건식 합성법과 용액의 화학 반응을 활용하는 습식 합성법이 있다. KERI 이차전지연구단 박준호 박사 연구팀은 공정 스케일업과 양산에 유리한 습식 합성법에 집중, 용매 내 최적 합성 반응을 통해 고순도 고체전해질 제조에 성공했다. 이 방법을 쓰면 값비싼 황화리튬(Li₂S)을 쓰지 않아도 된다. 황화리튬은 고제전해질 제조를 위해 투입되는 시작물질 비용의 95%를 차지한다. 또 습식 합성 과정에서 황화리튬이 미반응 불순물로 남아 셀 성능 저하를 일으킨다. 황화리튬을 쓰지 않는 합성법이 제안되기도 했지만, 고가의 첨가제를 추가로 사용해야 하고 불순물이 생긴다는 문제가 있다. 다른 첨가제나 추가 공정 없이 양질의 고체전해질 제조가 가능하다는 설명이다. 기존 황화리튬 기반 소재에 비해 재료비를 25분의 1 수준으로 줄일 수 있고, 제조 공정 시간도 단축돼 고체전해질 대량 생산에도 기여할 것으로 연구진은 기대했다. 박준호 박사는 "축적해 온 고체전해질 제조 노하우를 기반으로, 유기 용매 내에서 시작물질의 최적 화학반응 조합을 통해 고순도 고체전해질을 쉽고 간단하게 제조할 수 있는 방식(one-pot)을 찾았다"라며 "전고체전지 상용화의 가장 큰 난관인 가격 경쟁력과 대량생산 이슈를 모두 해결할 수 있을 것"이라고 기대했다. KERI는 원천기술과 특허 출원, 성과 논문 게재 등을 마치고 기술 이전을 추진한다.

2023.05.15 09:00한세희

전기연, 전고체전지 전해질 안정성 높일 핵심 소재 기술 개발

전고체전지의 안정성을 높여 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술이 개발됐다. 한국전기연구원(KERI, 원장 김남균)은 전고체전지에 쓰이는 아지로다이트 계열 고체전해질용 황화실리콘(SiS₂)를 저렴하게 제조하는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체에서 고체로 대체, 화재나 폭발 위험을 낮춘다. 그러나 제조 공정과 양산의 어려움이 여전한 상태다. KERI 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀과 금오공대 신소재공학부 박철민 교수 연구팀은 고제전해질의 이온 전도도와 수분 안정성을 높이는 황화실리콘 소재에 주목했다. 황화물계 고체전해질은 수분에 노출되면 유해한 황화수소(H₂S) 가스를 발생시켜 전지 성능을 떨어뜨리고 공정 관리를 어렵게 한다. 황화실리콘을 첨가하면 이 H₂S 가스를 줄일 수 있다. 하지만 황과 실리콘의 합성 과정에서 반응온도를 높이 올려야 하고, 이에 따른 황의 증기압이 너무 커지는 문제가 있어 제조가 어렵다. 황화실리콘 가격이 20g 당 170만원이나 하는 이유다. KERI 연구팀은 황화실리콘 제조를 위한 최적 공정 기술을 개발하고, 이를 고체전해질에 적용할 발판을 마련했다. 황과 실리콘의 배치를 최적화해 합성 조건을 확립하고, 800℃의 반응온도에서도 황의 기화에 따른 증기압을 버틸 수 있는 밀폐 환경을 구현했다. 결과물 품질도 상용 제품과 대등했다. 만들어진 황화실리콘을 고체전해질 제조에 적용, 이온 전도도와 수분 안정성이 2배 이상 높아짐을 확인했다. 공정 최적화로 과정은 단순해지고, 제조 비용도 줄일 수 있다고 연구진은 기대했다. 하윤철 박사는 "그동안 황의 증기압 상승을 해결하기 위해 고가의 원료를 사용하거나, 특수 공정을 도입하는 등 어려움을 겪었다"라며 "이번 성과로 고체전해질용 황화실리콘을 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 길이 열릴 것"이라고 말했다. 이 연구는 학술지 '저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A (Journal of Materials Chemistry A)' 표지논문으로 최근 선정됐다. KERI는 이 기술의 특허 출원을 준비 중이다. 또 관련 수요 기업을 발굴, 황화실리콘 제조 공정의 스케일업과 상용화를 추진한다.

2023.03.20 08:19한세희

전고체 전지 고체 전해질 성능-생산효율 높였다

양극과 음극 사이에 액체가 아닌 고체 전해질을 써 폭발 및 화재 위험이 낮고 에너지 밀도가 높은 전고체 전지에 대한 관심이 높다. 고체 전해질의 이온전도성을 높이기 위해 소재의 결정 특성을 개선하는 연구가 많이 이뤄지고 있다. 하지만 이렇게 하려면 소재 혼합이나 반응 이후 500℃ 이상의 고온에서 최대 수일 간 결정화 공정을 거쳐야 한다. 그래서 공정 비용이 커지고, 기계적 탄성 감소로 복합 양극의 접촉을 야기해 성능과 수명을 떨어뜨린다는 문제가 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 높은 이온전도성과 탄성변형성을 가진 고체전해질과 이 소재를 적은 비용으로 생산하는 공정을 개발했다고 15일 밝혔다. 상온·상압 환경에서 여러 공정을 하나로 단순하게 통합한 원팟(one-pot) 공정으로 합성할 수 있어 전고체 소재 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있으리란 기대다. 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500℃ 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능이 빠르게 열화됐다. 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수를 얻을 수 있지만, 이온전도도는 3mS/㎝ 내외에 머물러 고체전해질의 가치가 낮아진다. 연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략을 택했다. 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23mS/㎝의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 합성에 성공했다. 이 소재는 지금까지 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 가져 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또 상온·상압 원팟 신공정은 15시간 안에 공정이 끝난다. 이는 기존 슈퍼 이온전도성 고체전해질 합성 공정보다 2~6배 높은 생산성이다. KIST 김형철 박사는 "상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발했다"라며 "개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것"이라고 밝혔다. 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부가 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행됐다. 연구 결과는 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 실렸다.

2023.03.15 13:21한세희

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