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전고체전지(All-Solid Battery)란 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 차세대 이차전지를 말한다. 현재 상용화된 이차전지는 가연성 액체전해질을 사용하는 리튬이온전지로 과열 또는 과충전될 경우 팽창해 폭발할 위험이 있다.
생기원 김호성 박사 연구팀이 개발한 전고체전지는 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계 고체전해질 소재를 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험이 없고 안전하다.
또 개발된 전고체전지는 다수의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결돼 있는 바이폴라 구조로 설계·제작돼 고전압 구현에 유리하다. 이로 인해 전기차 배터리 팩을 간소화해 부피를 약 3분의 1로 줄이면서도 주행거리는 2배 이상 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
LLZO 소재는 안전성이 뛰어나지만 제조공정 비용이 비싸고 이온전도도가 상대적으로 낮아 그동안 상용화에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 테일러반응기를 활용한 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고 분말 입자를 나노화하는 데 성공했다.
나노급 LLZO 고체전해질 분말은 이종 원소(갈륨·알루미늄) 도핑에 의해 소결 시간이 약 5배 이상 단축돼 비용이 크게 절감됐고 이온전도도가 세계 최고 수준인 1.75 x 10-3 S/㎝로 3배 이상 개선됐다. 이렇게 개발된 LLZO 분말은 소량의 고강도 이온전도성 바인더와 복합화돼 약 50~60㎛ 두께의 복합고체전해질 시트로 제작됐다. 이는 전고체전지의 부피 에너지밀도를 445 Wh/L 수준으로 향상시키는 국내 최고 수준의 핵심기술이다.
나아가 연구팀은 전고체전지 단위셀 10개로 구성된 바이폴라 구조의 셀스택(37V, 8Wh 급)을 국내 최초로 제작해 상용화 가능성을 높였다. 제작된 셀스택은 대면적(11㎝ x 12㎝)의 파우치 외장재 형태이며 과충전된 상태로 대기 중에서 가위로 절단한 경우에도 발화 및 폭발 현상이 나타나지 않아 안전성이 검증됐다. 또 셀스택에 사용된 단위셀은 400회의 충·방전 실험 결과 배터리 초기 용량의 약 84%를 유지, 종래 전고체전지보다 수명 특성이 5배 이상 개선됐다.
이번 연구는 국가과학기술연구회가 지원하는 창의형융합연구사업으로 추진됐으며 주관 기관인 생기원이 한국에너지기술연구원(정규남 박사), 한국과학기술연구원(정경윤 박사), 한국전자통신연구원(이영기 박사)과 공동 수행했다.
한편 일본 후지경제연구소에 따르면 세계 전고체전지 시장은 오는 2035년 약 28조 원 규모로 확대될 전망이다.