화학연, 황화물 전고체전지 ‘내부 균열’ 난제 풀었다…수명 3배 향상

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 고무처럼 늘어나는 탄성 소재를 활용해 황화물 전고체전지의 치명적인 약점이었던 내부 균열과 수명 단축 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국화학연구원은 김동욱 박사팀이 연세대, 성균관대 연구팀과 황화물 전고체전지 내부에 탄성 이온전도성 고분자를 도입해 전지의 수명과 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

기존 리튬이온전지는 화재 위험이 있는 액체 전해질을 사용하는 반면 전고체전지는 고체 전해질을 사용해 안전성이 높다.

특히 황화물계 고체전해질은 액체 수준의 높은 이온전도도를 가져 고출력 구현에 유리하지만, 딱딱한 고체 소재 간 접촉 구조 탓에 충·방전을 반복하면 전극 부피 변화로 내부에 균열과 계면 박리 현상이 일어나는 한계가 있었다.

이 틈은 이온 이동을 막아 수명을 단축시키며 이를 억제하기 위해 배터리 작동 시 수십 메가파스칼 이상의 높은 압력을 가하는 외부 결합 장치가 필수적이어서 배터리 무게와 제조 비용을 증가시키는 요인이었다.

연구팀은 액체 상태의 고분자 전구체를 황화물 전해질 내부 입자 사이의 빈 공간에 주입한 뒤 그물망 구조로 경화시키는 방식을 고안했다.

이렇게 형성된 탄성 이온전도성 고분자는 건물의 내진 장치처럼 전극이 수축·팽창할 때 발생하는 스트레스를 흡수해 균열을 물리적으로 억제한다. 동시에 빈틈을 메워 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 추가 경로를 제공한다.

실험 결과 효과가 눈에 띄었다. 탄성 고분자를 적용한 전고체전지는 충·방전 상황을 재현한 리튬 도금·제거 반복 실험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동하며 고체 경계면을 유지한 것이다.

특히 200회 고속 충·방전 후 용량 유지율을 비교한 결과 기존 황화물 전해질 전지는 성능이 22% 수준으로 급격히 떨어진 반면 탄성 고분자를 적용한 전지는 75%의 용량을 유지해 수명 성능이 3배 이상 향상됐다.

아울러 전극과 전해질의 밀착을 유도하기 위해 가하던 외부 압력 의존성을 크게 낮췄다. 낮은 압력 조건에서도 안정적인 성능을 확보함에 따라 향후 배터리 팩 내부의 압력 유지 장치를 단순화하거나 제거할 수 있어 구조 슬림화와 제조 비용 절감에 직접적인 기여를 할 것으로 전망된다.

글로벌 전고체전지 시장은 2026년 1억4943만 달러 규모에서 연평균 47.57%씩 가파르게 성장해 2034년 약 33억6077만 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 현재 전 세계 배터리 기업들이 시제품 생산 단계에서 각축전을 벌이는 상황이다.

연구팀은 이번 기술이 코인셀 수준의 실험실 검증을 마친 만큼, 향후 대면적 셀 검증과 실제 전기차 환경에서의 진동·온도 변화 내구성 평가, 파일럿 생산을 통한 양산성 검증 등의 후속 과제를 이어갈 계획이다.

완성차 및 배터리 기업들의 상용화 일정과 연계될 경우 실용화 가능 시기는 2030년대 초반으로 관측된다.

김동욱 박사는 "황화물 전고체전지의 핵심 난제인 기계적 안정성 문제를 소재 관점에서 해결한 성과"라고 설명했다.

신석민 원장은 "차세대 전기차와 에너지저장장치용 고안전성 배터리 개발은 물론 핵심 원천기술 국산화 기반 확보에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.