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'전고체전지'통합검색 결과 입니다. (6건)

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"전고체전지 밀도 낮을수록 전도도 높다"는 통념 깨졌다

국내 연구진이 차세대 배터리 기술로 주목받는 전고체전지에서 "밀도가 낮을수록 전도도가 높다"는 통념을 AI(인공지능)를 활용해 뒤집었다. 한국과학기술연구원(KIST)은 계산과학연구센터 이병주 박사 연구팀이 AI 기반 원자 시뮬레이션 기계학습을 통해 비정질 고체전해질에서 리튬 이온 이동을 좌우하는 핵심 요인을 규명했다고 25일 밝혔다. 연구팀은 리튬 이온 이동을 '짧은 거리에서의 이동'과 '전체 경로의 연결성'으로 나누어 분석하고, 전체 성능은 경로 연결성보다 이온이 한 자리에서 다음 자리로 이동하는 난이도에 더 크게 좌우된다는 사실을 확인했다. 실제 리튬 이온 전도 성능은 조건에 따라 최대 5배 이상 차이를 보인 반면, 경로 연결성 영향은 약 2배 수준에 그쳤다. 계산과학연구센터 이병주 선임연구원(교신저자)은 이에 대해 "이는 비정질 구조로 인해 설명이 어려웠던 성능 편차를 정량적으로 해석할 수 있는 기준을 제시했다는 의미가 있다"고 설명했다. 연구팀은 또 리튬 이온 이동성을 높이는 구체적인 구조 조건도 밝혀냈다. 리튬 이온 주변을 네 개의 황 원자가 둘러싼 구조 비율이 높을수록 이온 이동이 빨라진다는 것. 내부 빈 공간(공극,pore) 크기가 적정 범위에 있을 때 가장 우수한 성능을 나타냈다. 지나치게 큰 빈 공간(voids)은 리튬이온이 안정적으로 존재할 수 없어 오히려 이온 이동을 방해하고 성능을 저하시키는 것을 확인했다. 이병주 선임은 "지나친 자유공간(free volume)은 역효과를 일으킬 수 있다는 사실을 정량적으로 보여준 것"이라며 "이를 통해 '밀도가 낮을수록 전도도가 높다'는 기존 통념을 뒤집는 결과를 제시한 것"이라고 말했다. 연구팀은 또 전고체전지 업계에서 오랫동안 경험적으로만 알려져 있던 리튬 삼 인산 사황화물(Li₃PS₄) 근처 조성과 약 1.8g/cm³ 밀도에서 전도도가 최대가 되는 현상도 근본적 기원을 규명했다. 최적의 전도도는 ▲Li–S₄ 국소 환경(리튬 이온 하나가 네 개의 황 원자와 결합·상호작용하며 안정적으로 자리 잡고 있는 미시적인 주변 구조)이 가장 안정적으로 형성되는 조성과 ▲공극이 충분히 확보되면서도 빈공간이 발생하지 않는 임계 밀도가 동시에 충족될 때 나타났다. 이병주 선임은 "전고체전지용 고체전해질 설계와 제조 공정에 바로 적용할 수 있다"며 "추가적인 소재 변경 없이 이온 전도 성능을 개선할 수 있어, 산업 현장에서 활용도가 높을 것"으로 내다봤다. 이 선임은 "이 연구결과를 다양한 고체전해질 소재 개발로 확장할 수 있다"며 "고성능 후보 물질을 사전에 선별, 성능 예측과 소재개발 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 전기차와 에너지 저장장치 등 안전성과 에너지 밀도가 중요한 분야에서 전고체전지 상용화를 앞당길 것"으로 기대했다. 연구는 과학기술정보통신부/KIST 주요사업인 소재글로벌영커넥트사업의 일환으로 수행됐다. 논문 제1저자는 KIST 계산과학연구센터 김치훈 학생연구원이다. 연구결과는 에너지 재료 분야 국제 학술지(Advanced Energy Materials. IF 26.0, JCR 분야 2.5%) 최신 호에 게재됐다.

2026.01.25 12:00박희범 기자

산화물계 고체전해질 난제 20년 만에 해결..."생산비용 10분의 1로 줄여"

화재와 폭발 위험이 있는 리튬이온배터리를 대체할 전고체전지 핵심 소재가 개발됐다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 첨단소재측정그룹 백승욱 책임연구원 연구팀이 산화물계 고체전해질막 생산비용을 기존대비 10분의 1로 낮출 수 있는 고초고밀도 대면적 고체전해질막을 개발했다고 7일 밝혔다. 백승욱 책임연구원은 “가넷계 고체전해질 연구 분야에서 20년 넘게 해결하지 못했던 소재와 제조 공정 난제를 완전히 해결한 것”이라며 “생산 비용을 획기적으로 낮춘 만큼 ESS와 전기차 시장 기술 혁신이 가능할 것"으로 내다봤다. 전고체전지는 황화물계와 산화물계로 나뉜다. 황화물계는 삼성SDI가 오는 2027년께 상용화를 앞둔 분야로, 난이도가 산화물계에 비해 상대적으로 낮고, 양산이 용이하다. 특히, 기존 2차전지 공정을 그대로 사용 가능한 장점이 있다. 반면 황화수소 가스 발생 위험이 있다. 백 책임연구원은 "전고체전지는 궁극적으로 산화물계로 갈 것으로 보나, 기술적인 진전이 거의 없는 편이다. 그런데 이걸 우리가 한 것"이라며 "소재관점에서 일단 기본 문제를 해결했고, 셀을 만드는 후단은 올해 개발할 것으로 예상한다"고 말했다. 백 책임은 또 산화물계 전고체전지 상용화와 관련 "생산기술이 표준화되어 있지 않아 상용화까지는 5~10년 정도 걸릴 것"으로 예상했다. 전고체전지가 주목받는 이유는 액체 전해질 대신 불이 붙지 않는 고체전해질을 쓰기 때문이다. 산화물계 전고체전지는 에너지 밀도가 높고, 황화물계와 달리 독성 가스 유출로 인한 위험성도 없다. 주로 가넷계 고체전해질을 소재로 활용한다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등에 널리 쓰이는 리튬이온 이차전지는 인화성 액체 전해질을 사용해 화재와 폭발에 취약하다. 한 번 불이 붙으면 진압도 어렵다. 지난해 국가정보자원관리원 화재 원인도 리튬이온배터리 문제였다. 최근엔 리튬이온을 쓰는 전기자동차 배터리 폭발 사고도 잇따른다. 그러나 가넷계 고체전해질은 소재 특성상 고성능 전해질막을 만들기 위해서는 1000 °C 이상 초고온에서 분말을 압착하는 소결과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 또 소결과정에서 고체전해질막 핵심 성분인 리튬 원소가 휘발되기 때문에 전해질막 구조적 안정성이 떨어져 대면적 제조가 어렵고 화학 조성 변화로 이온전도도, 계면 저항 등 품질 또한 크게 저하된다. 기존에는 이 문제 해결을 위해 모분말(Mother-Powder)이라는 리튬전해질 소재로 전해질막을 두껍게 덮어 보호하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 소결 후 일회성으로 버려지는 모분말의 양이 제조하는 전해질막보다 10배 이상 많아 생산 단가가 높고 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 이에 새로운 소재 제조 기술을 새로 개발했다. 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 얇게 입히는 제조 기술을 확보한 것. 표면에 형성된 코팅층은 소결 과정에서 리튬 원소를 공급하는 동시에 리튬이 휘발하지 않도록 보호하고, 입자 간 결합력을 높여주는 납땜(Soldering) 효과를 내기 때문에 전해질막 밀도를 극대화할 수 있다. 연구팀은 실제 이번 기술을 적용해 고가 모분말을 사용하지 않으면서도 세계 최고 수준인 98.2% 이상 밀도를 달성했다. 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상된 고강도 고체전해질 막을 제조했다. 또한 해당 고체전해질 막 전기전도도를 20배 이상 감소시켜 전지 내부 전류 손실 위험을 크게 낮췄다. 연구진은 실험실 소형 펠릿 수준을 넘어 기존대비 10배 이상 큰 16 cm2 규모 대면적 고체전해질 막을 수율 99.9%로 제조하는 데에도 성공했다. 첨단소재측정그룹 김화정 박사후연구원은 “현재 우리나라는 직경 1 cm 크기에 80만원 이상인 가넷계 고체전해질 펠릿을 전량 수입하고 있는 상황”이라며 “이번 기술 개발은 고부가가치의 차세대 배터리 소재의 국산화를 여는 계기가 될 것”이라고 밝혔다. 고려대학교 신소재공학과 박혁준 교수팀과 협업한 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발 사업의 지원을 받았다. 성과는 국제학술지(Materials Today, IF: 22.0, JCR: 3.5%) 1월호에 게재됐다.

2026.01.07 15:35박희범 기자

리튬이온배터리 공정으로 전고체전지 생산 세계 첫 성공…"상업화 급진전 기대"

기존 리튬이온전지 공정을 그대로 이용할 수 있는 전고체전지 제조 기술이 개발됐다. 전고체전지 상업화가 가속화할 것으로 전망됐다. 연세대학교는 화공생명공학과 이상영 교수 연구팀과 고려대학교 곽상규 교수팀, 군산대학교 이민재 교수팀, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 이영주 박사 연구팀이 엔트로피 개념을 이용한 '엔트로피 충돌' 고분자 전해질을 세계 최초로 제시하고 이를 전고체전지에 적용하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 전고체전지는 '잘 폭발하지 않고, 더 멀리 가는' 차세대 배터리로 불로 불린다. 그러나 전극 부피변화나 낮은 이온전도도, 고온 및 고압 공정, 수율확보 등의 문제로 상용화가 쉽지 않았다. 연구팀은 이를 위해 '양쪽성 이온'이라는 특수한 분자구조를 가진 전해질을 개발했다. 이 분자는 하나의 분자 안에 양전하(+)와 음전하(-)를 동시에 갖고 있어, 리튬 이온과의 상호작용이 뛰어나며 분자들이 일정한 방향으로 배열되기 쉬운 특성을 갖는다. 연구팀은 또 '엔트로피 충돌'이라는 새로운 개념을 이 전해질 개발에 적용했다. 초기에는 액체 상태로 존재해 전극 내부 깊숙이 물처럼 스며들 수 있고, 이후 빛이나 열을 가하면 고체로 굳으면서 분자들이 스스로 정렬돼 이온이 이동할 수 있는 통로를 형성하도록 설계했다. 이로 인해 해당 전해질은 고체 상태에서도 이온이 빠르게 이동할 수 있으며, 이온 전달 경로가 끊기지 않는다. 이는 그동안 고분자 전해질의 가장 큰 한계로 지적돼 온 낮은 이온전도도 문제를 근본적으로 개선한 성과다. 이번 연구의 또 다른 특징은 기존 리튬이온전지 생산 공정과의 높은 호환성이다. 새로 개발된 고분자 전해질은 초기에는 액체 상태여서 현재 공장에서 사용하는 방식과 유사하게 전극에 코팅하거나 스며들게 할 수 있고, 이후 간단한 공정을 거쳐 고체 전해질로 전환된다. 이상영 교수는 "고가의 신규 설비를 도입하지 않고도 기존 리튬이온전지 생산 라인을 전고체전지 공정으로 단계적으로 전환할 수 있는 가능성을 제시했다"고 설명했다. 연구팀은 또 이 전해질을 이용해 두꺼운 전극을 사용하면서도 실온과 낮은 압력 조건에서 안정적으로 작동하는 전고체전지를 구현했다. 기존 리튬이온전지(일반적으로 약 250Whkg−1 수준) 대비 약 두 배 수준의 높은 에너지 밀도(516Whkg−1)를 갖는 전고체전지 실현 가능성을 제시했다. 이상영 교수는 “기존 리튬이온전지 제조 공정과의 호환성이 매우 뛰어난 고체 전해질 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “엔트로피 기반 고분자 전해질을 이용하면 복잡한 추가 공정 없이도 고에너지 전고체전지를 구현할 수 있어, 전고체전지 상업화를 실질적으로 앞당길 수 있는 계기가 될 것”이라고 말했다. 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업과 나노·소재기술개발지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, 12월6일자)에 게재됐다.

2025.12.17 10:12박희범 기자

KETI·성균관대, 전고체 전지 충방전 속도·수명 개선 핵심기술 개발

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)은 성균관대 김영준 교수 연구팀과 함께 전고체 전지의 충·방전 속도와 수명 개선을 위한 핵심 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 전고체 전지 전극은 일반적으로 활물질·고체 전해질·도전재를 혼합해 구성되지만, 고체 전해질 함량이 증가하면 이온 전도성은 높아지나 전자 이동이 저하하고, 도전재인 카본 블랙의 함량이 증가하면 전자 전도성은 향상되나 이온 이동이 제한돼 이온과 전자 전도성을 동시에 극대화하는 것이 주요 기술적 과제로 지적돼 왔다. KETI 차세대전지연구센터와 성균관대학교 나노과학기술원 김영준 교수 연구팀은 고체 전해질과 탄소나노섬유(CNF)를 함께 합성하는 방식을 개발함으로써 전고체 전지의 이온과 전자 전도성을 동시에 향상하고, 충·방전 속도와 수명이 개선됨을 확인했다. 연구진은 고체 전해질 합성 과정에서 CNF를 균일하게 분산시키는 기계적 밀링과 열처리 공정을 적용한 복합화 방식을 적용했다. 기술 개발을 주도한 김경수 박사(KETI 수석연구원)는 “이 기술은 기존 고체 전해질 합성 공정에 CNF를 추가하는 비교적 단순한 방식으로 구현돼 상업적 적용이 용이할 것으로 기대된다”며 “센터는 연구 결과를 바탕으로 전고체 전지 성능 극대화를 위한 요소 기술 개발에 집중할 계획”이라고 밝혔다. 황화물계 고체 전해질은 이온 전도도가 높지만 탄소와의 산화반응으로 충·방전을 반복 하면 성능이 저하하는 문제가 있었으나, 이번 기술을 적용하면 100회 충·방전 후에도 용량 유지율이 기존 대비 35% 향상되는 것으로 확인됐다. 송준호 KETI 차세대전지연구센터장은 “연구진은 차세대배터리 소재와 전극 기술부터 전지 제조 기술까지 폭넓은 연구를 진행하는 한편, 충청북도 오창에 리튬 이차전지 및 전고체 전지 평가·분석 시설 구축을 추진하고 있다”며 “KETI는 배터리 분야 국내 핵심 거점으로서 전고체 전지 상용화 연구에 주력하겠다”고 밝혔다. 한편, KETI의 연구 성과는 재료화학 분야 국제학술지인 '재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A, IF=10.7)' 최신호에 게재됐다. 연구는 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 사업 지원을 받아 수행됐다.

2025.03.14 18:59주문정 기자

차세대 전고체전지 언제 나올까…전기연·(주)대주전자재료 상용화 시동

한국전지연구원이 지난 2021년 개발한 고체 전해질 성능을 획기적으로 업그레이드해 대량 생산을 위한 초석을 마련했다. 당시 이 기술은 (주)대주전자재료가 이전받았다. 연구를 주도한 하윤철 차세대전지연구센터장은 "4년전 고체전해질 제조 방식에 공침 기술을 세계 최초로 도입했다"며 "이번 업그레이드 기술은 전고체전지를 저렴한 비용으로 대량생산하는 시대를 활짝 여는 마중물이 될 것”이라고 밝혔다. 연구팀은 지난 2021년, 고가의 황화리튬(Li2S) 없이 원료들을 한꺼번에 용기에 넣어(One-pot) 용액 공정으로 고체전해질을 대량으로 제조하는 '공침법'을 제안해 주목받았다. 공침법은 원료를 고르게 용액 속에 녹여내고, 이를 침전시킨 후 필터로 걸러내는 과정이 핵심이다. 이번에는 이의 성능을 획기적으로 개선했다. 대학과 업계가 협력해 공침법 원리를 세밀히 분석한 뒤 최적화했다. 이 연구에는 KAIST 변혜령 교수팀과 백무현 교수팀, 포스텍 서종철 교수팀이 참여해 중간산물 화학적 분석과 양자 계산 및 음이온 질량 분석을 진행했다. 또 ㈜대주전자재료는 실제 고체전해질 양산에 적용될 연속 공정에 관련 기술을 접목했다. 연구결과 고체전해질 생산 시간은 14시간에서 4시간으로 대폭 줄였다. 최적으로 합성된 고체전해질 품질도 향상됐다. 기존 제조법들은 양산화(스케일업, Scale-up) 과정에서 낮은 이온전도도를 보여 고질적인 문제가 됐었다. 하지만, 이번 업그레이드형 공침법을 양산화 과정에 적용하면 고체전해질의 이온전도도는 5.7mS/cm를 기록해 액체전해질 실제 전도도(3~4 mS/cm) 수준을 넘어선다. 또한, 해당 고체전해질을 스마트폰 전지의 5분의1 수준에 해당하는 700mAh 용량의 전고체전지 파우치셀에 적용해 상용 리튬이온전지(270Wh/kg)보다 높은 에너지 밀도인 352Wh/kg를 달성했다. 이와함께 전고체전지를 1천 번 충·방전한 실험 결과도 80% 이상의 용량을 유지해 안정적인 수명도 확인했다. 하윤철 센터장은 "이번 기술이 고체전해질 합성뿐만 아니라 다양한 기능성 코팅막 제조에도 적용될 수 있음을 확인했고, 최근 특허 출원까지도 마쳤다"고 설명했다.

2025.02.10 09:01박희범 기자

"비상 경영 돌입" 포스코퓨처엠, 작년 영업익 7억원…98% ↓

포스코퓨처엠은 연결 기준으로 지난해 매출액 3조 6천999억원, 영업이익 7억원, 당기순손실 2천313억원을 기록했다고 3일 발표했다. 전년 대비 매출은 22.3%, 영업이익은 98% 감소하고 순이익은 적자 전환했다. 지난해 4분기 기준으로는 매출 7천232억원, 영업손실 413억원, 순손실 2천759억원을 거뒀다. 전년 동기 대비 매출은 36.9% 감소하고 영업손실은 44% 개선됐다. 순손실은 170% 확대됐다. 배터리소재 사업은 지난해 매출 2조 3천399억원, 영업손실 369억원을 기록했다. 양극재 사업은 글로벌 전기차 판매량 증가와 전기차 신모델용 제품 공급 개시에 따라 고부가 제품인 하이니켈 제품 중심으로 판매량이 전년 대비 소폭 증가했다. 그러나 리튬, 니켈 등 주요 원료 가격 하락으로 판매가가 크게 하락하며 매출은 전년 대비 30.4% 감소한 2조 1천856억원을 기록했다. 일부 제품 및 원료 불용재고에 대한 평가손실 436억원 계상으로 수익성도 감소했다. 음극재 사업 측면에선 천연흑연 음극재 부문에서 중국산 저가제품 공세로 판매량이 감소하고 원료인 흑연 가격 하락 영향으로 판매 가격도 하락했다. 인조흑연 음극재 부문 역시 가동 초기 높은 제조단가로 인한 재고 평가손실이 반영돼 매출이 전년 대비 30.4% 감소한 1천543억원을 기록하고 영업이익은 적자로 돌아섰다. 기초소재 사업에선 매출 1조 3천600억원, 영업이익 376억원을 기록했다. 내화물은 전로 수리 증가로 이익이 늘었으나 화성·라임(생석회)에서는 고정비가 증가하며 수익성이 저하됐다. 포스코퓨처엠은 자산가치의 건전성을 제고하기 위해 사업 현황을 선제적으로 반영, 손상차손을 인식해 당기순손실이 발생했다고 설명했다. 포스코퓨처엠은 캐즘 이후의 성장을 대비하기 위해 비상경영 체제에 돌입한다. 시장 수요 위축과 더불어 주요 시장인 미국의 새 행정부 출범 등 글로벌 정책 불확실성이 어느 때보다 커지면서 선제적 위기 대응을 통해 사업 경쟁력을 확보하고 미래 성장에 대비할 계획이다. 엄기천 사장은 지난달 17일 사운영회의 직후 전 임원과 함께 비상경영 계획을 공유하고 제조·사업 경쟁력 강화와 위기 극복에 대한 의지를 다졌다. 이 자리에서 엄 사장은 "제조 경쟁력 강화와 혁신적인 조업 역량을 확보하는 데 매진하고, 회사의 미래를 준비하기 위한 투자 사업은 지속 검토해 나가되 비핵심 자산은 과감하게 조정해 나가는 등 회사 경영진들은 주요 경영 아젠다들을 철저하게 수익성 확보 관점에서 검토해 달라"고 당부했다. 포스코퓨처엠은 생산성 혁신과 함께 R&D 강화로 제품 포트폴리오를 다양화하기로 했다. 프리미엄 제품인 하이니켈 양극재 외에도 고전압 미드니켈, 고망간(LMR), 리튬망간인산철(LMFP) 양극재 등 중저가 신제품을 개발한다. 음극재에서도 저팽창 천연흑연 음극재, 고용량 실리콘탄소복합체(Si-C) 음극재 등 고부가제품 개발을 통해 글로벌 시장을 선점한다는 계획이다. 포스코퓨처엠은 포스코홀딩스 미래기술연구원, 포항산업과학연구원(RIST), 포스텍 등과 협업해 미래 시장을 주도할 차세대 전지용 소재 개발에도 적극 나서고 있다고도 강조했따. 특히 미래 배터리 산업의 게임체인저로 주목받고 있는 전고체 배터리 양극재뿐만 아니라 건식 전극용 양극재, 리튬메탈 음극재 등도 선행 개발 중이라는 설명이다. 전고체 배터리 양극재의 경우 2028년 양산을 목표로 국내외 3개 이상의 고객사와 테스트를 진행하고 있고, 건식 전극용 양극재와 리튬메탈 음극재도 2028년 양산을 위해 고객사 테스트를 진행 중이라고 밝혔다.

2025.02.03 14:38김윤희 기자