화학연구원, 스티커처럼 붙이는 초박막 고체전해질 개발

15㎛ 두께·120㎠ 면적에 균일한 전해질막 구현

100회 충·방전 후 용량 83.6%, 대면적 생산 가능

[대전=뉴시스] 김양수 기자 =

[대전=뉴시스] 화학연구원이 이차전지 고체전해질 제조 시 전극에 직접 바르는 기존 방식의 전극 변형·두께 불균일 문제를 해결할 전사 인쇄 공정을 개발했다. 연구 모식도.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

국내 연구진이 전고체전지의 핵심 소재인 고체전해질을 스티커처럼 전극에 옮겨 붙이는 기술을 개발했다. 고에너지밀도 전고체전지의 대면적 생산을 위한 기반 기술로 기대된다.

한국화학연구원은 강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원 연구팀이 가닛계 산화물 고체전해질(LLZTO)을 활용, 별도의 기판에 고체전해질 막을 만든 뒤 완성된 막을 전극으로 옮기는 전사 인쇄 기술을 개발했다고 26일 밝혔다

전고체전지는 액체 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 높일 수 있는 차세대 배터리다.

연구팀에 따르면 에너지 밀도를 높이기 위해선 전해질을 20㎛ 이하로 얇게 만들면서도 넓은 면적에서 두께를 균일하게 유지해야 한다. 하지만 기존 필름 제조방식은 얇을수록 막이 쉽게 찢어져 두께가 70~120㎛에 달했고 전극에 직접 바르는 방식은 전해질 반죽이 전극 내부로 스며들어 전극이 변형되거나 막 두께가 불균일해지는 문제가 있었다.

이번에 연구팀은 전해질 반죽을 PET-PDMS 기판에 코팅해 건조한 뒤 롤러로 눌러 전극에 옮겼다. 또 재료 간 친화도를 나타내는 '한센 용해도 지수(HSP)'를 활용해 코팅단계에서는 반죽이 기판에 잘 퍼지고 전사단계에서는 완성된 막이 쉽게 떨어지도록 재료조합을 설계했다.

이어 반복 실험에 의존하지 않고 재료 특성을 수치로 계산해 공정 조건을 정하는 원리를 제시한 결과, 가로 6㎝, 세로 20㎝의 120㎠ 면적에서 평균 두께 15㎛, 편차 약 1㎛의 균일한 전해질막을 구현하는데 성공했다. 직접 코팅 방식은 6×11㎝ 면적에서도 두께가 10~25㎛로 고르지 않다.

전사 인쇄 방식으로 만든 이 전지는 100회 충·방전 후 용량 유지율이 83.6%로 직접 코팅 방식의 36.1%보다 높았다. 열 안정성 시험에서도 전사 인쇄 전지는 150℃에서 2시간 30분 동안 안정적인 전압을 유지했다.

연구팀은 얇고 균일한 전해질막이 배터리 내부에서 전해질이 차지하는 부피를 줄여 에너지 밀도를 높이는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있으며 기판과 전극을 연속적으로 처리하는 롤투롤 공정으로 확장하면 대면적 전고체전지 생산에도 활용할 수 있을 것으로 보고 있다.

연구 결과는 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 지난달 게재됐다.

강영구 책임연구원은 "이 기술로 막을 전극에 직접 바르는 과정에서 발생하는 결함을 줄일 수 있어 대면적 생산 때 불량 감소와 생산수율 향상이 가능하다"며 "다양한 전극 소재와 대용량 전지에서도 성능과 장기 안정성을 검증해 산업 적용 가능성을 높여갈 계획"이라고 말했다.


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