한국전자기술연구원(KETI, 원장 신희동)은 전고체전지의 핵심 소재인 황화물 고체전해질의 대기 안정성을 향상하는 기술을 개발했으며, 관련 내용이 국제 저명 학술지 최신호에 게재됐다고 7일 밝혔다.

황화물 고체전해질 기반의 전고체전지는 전기자동차 등 대면적·고용량의 전지 제조에 적합하여, 글로벌 기업을 중심으로 기술 상용화를 위한 R&D 경쟁이 치열하다.

황화물 고체전해질은 연성이 크고 이온전도도가 높아 고용량의 대형 전지 제조에 적합한 것으로 평가된다.  

그러나 황화물 고체전해질은 대기 중 수분에 취약하여 유해가스인 황화수소가 발생한다는 단점이 있으며, 이로 인해 전지 성능이 저하될 수 있기 때문에 수분이 극도로 제어된 드라이룸 등 고비용 시설에서 공정이 진행되는 문제 상황이 발생했다.

KETI 차세대전지연구센터 조우석 박사팀(수석연구원)은 호주의 연구 중심 공립대학인 울런공대(University of Wollongong, 김정호 교수 연구팀) 및 경희대(박민식 교수 연구팀)와의 해외 공동 연구를 통해 황화물 고체전해질 내 특수 나노입자를 소량 첨가함으로써, 대기 노출 시에도 유해 가스 발생량을 획기적으로 감소시켰다.

구체적으로 연구진은 금속 유기 골격체(MOFs)의 일종인 ZIF-8(Zeolitic imidazolate framework-8) 입자가 수분 및 황화수소 가스를 동시에 흡착하는 특성을 활용하여 대기 노출시 황화물 고체전해질에서 발생되는 황화수소 가스 발생량을 90% 감소시켰으며, 이온전도도의 하락도 25% 수준으로 억제했다. 

나아가 연구진은 ZIF-8 첨가제를 기반으로 로딩 40mg/cm2의 건식 전극을 특수 드라이룸이 아닌 일반 대기 환경에서 제조했으며, 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, 향후 공정 가격 저감에 기여하여 전고체전지 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지인 ACS Nano(IF=18.027) 최신호에 ‘수분 흡수재로 강화된 전고체전지용 건식 전극’의 제목으로 게재되는 성과를 거두었다.

KETI 차세대전지연구센터 유지상 센터장은 “KETI는 전고체전지 소재 및 전극 요소 기술뿐만 아니라 전지 제조 기술까지 차세대전지 분야 폭넓은 연구를 진행하고 있다.”라고 말하며 “전고체전지 분야 국내 핵심 연구기관으로서, 차세대전지 상용화 연구에 최선을 다하겠다.”고 밝혔다.