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.