그동안 전기차와 ESS(에너지 저장장치)에 들어가는 전지에 대해 폭발이나 화재 위험을 우려했었다. 하지만 전고체전지 기술 개발로 이런 위험성이 대폭 줄어들고 전기차 적용 시 주행 거리를 두 배 이상 끌어올릴 것으로 기대를 모으고 있다.

폭발이나 화재 위험을 없애면서도 배터리 팩의 부피를 대폭 줄일 수 있는 새로운 전지 제조기술이 나왔다. 

한국생산기술연구원(원장 이성일) 김호성 박사팀이 전지 내부의 양극과 음극 사이의 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 ‘전고체전지’를 개발했다. 이번에 개발한 전고체전지는 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계 고체 전해질 소재를 사용해 폭발이나 화재 위험이 없고 안전한 것이 특징이다. 

현재 휴대폰 배터리나 전기자동차 등에 사용 중인 리튬이온전지는 가연성 액체 전해질을 사용한다. 전기 사용 시 음극 활물질이 양극에서 나온 리튬이온을 흡수·방출하면서 외부회로를 통해 전류를 이동시킨다. 전자는 도선을 타고 양극으로 이동하며 양극에서 음극으로 전류가 발생하는 것이다. 충전 시에는 양극에서 리튬이 빠져나와 전해액을 통과해 음극으로 이동한다. 전자 역시 도선을 타고 양극에서 음극으로 들어간다. 

평소에는 양극과 음극의 접촉을 차단하는 분리막이 있어 양극과 음극이 직접 닿을 일이 없지만, 전지가 과열되거나 과충전되어 양극과 음극이 직접 닿을 경우 전류가 너무 흘러 폭발하거나 화재가 일어날 수 있다. 개발된 전고체전지는 여러 개의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬 연결돼 있는 바이폴라(Bipolar) 구조로 설계·제작돼 안전하면서도 고전압을 낼 수 있다. 이로 인해 전기차 배터리 팩을 간소화해 부피를 1/3로 줄이면서도 주행거리는 두 배 이상 높일 수 있을 것으로 점쳐진다.

전고체전지는 고체 전해질 종류에 따라 산화물·황화물·고분자 계열로 분류된다. 연구팀은 산화물계 중에서도 효율이 높은 리튬·란타늄·지르코늄·산소를 이용한 산화물 소재(LLZO)를 사용해 고강도 복합고체 전해질 시트 제조 기술에 초점을 뒀다. LLZO 소재는 고체 전해질 소재에서 전기화학적 산화나 환원 반응이 일어나지 않는 전압구간인 전위창 및 안전성이 뛰어나지만, 제조공정이 비싸고 고체 내부에서 리튬이온이 확산되는 속도로, 낮을 경우 용량과 수명이 감소하는 이온 전도도가 상대적으로 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 

이에 연구팀은 일종의 화학 반응기인 테일러반응기를 이용해 저가의 연속 생산 공정을 도입하고 갈륨과 알루미늄 등 이종 원소를 섞어 LLZO를 나노 입자로 생산하는 데 성공했다. 나노 분말의 생산 속도는 1/5로 줄고 이온전도도는 3배 이상 높아졌다. 

이렇게 개발된 LLZO 분말은 소량의 고강도 이온전도성 바인더와 복합화돼 약 50~60㎛ 두께의 복합고체전해질 시트를 개발했다. 이는 전고체전지의 부피 에너지밀도를 445 Wh/L 수준으로 향상시키는 국내 최고 수준의 핵심기술이다.

더 나아가 전고체전지 단위셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택을 국내 처음으로 제작해 상용화의 가능성을 높였다. 제작된 셀스택은 가로·세로 11㎝×12㎝ 대면적의 파우치 외장재 형태로, 과충전된 상태로 대기 중 가위로 자르더라도 발화 내지 폭발이 일어나지 않아 안전성도 검증됐다. 또 셀스택에 사용된 단위셀은 400회 충전 및 발전 실험결과, 전지 초기 용량의 84%가량을 유지, 전고체전지보다 수명이 5배 이상 개선된 것으로 나타났다. 

김호성 박사는 “최근 잇따른 신재생에너지 ESS 폭발 및 화재로 전지의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 차세대 전고체전지 제조기술 확보에 성공했다”라며 “LLZO 소재 제조 기술은 이미 국내 기업에 이전 완료됐고 올해부터는 셀스택 사업화에 착수해 조기에 상용화할 수 있도록 주력할 계획”이라고 밝혔다. 

한편 일본 후지경제연구소에 따르면 세계 전고체전지 시장은 2035년 28조 원 규모로 확대될 전망이다.