전고체전지 전해질을 스티커처럼 제작하는 기술, 기존 방식과 무엇이 달라졌나

한국화학연구원 연구팀이 전고체전지의 핵심 부품인 고체 전해질을 별도 기판에서 만든 뒤 전극에 옮겨 붙이는 전사 인쇄 기술을 개발했다.

화학연은 강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원이 이끈 연구 결과를 10월 26일 공개했다.

논문은 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 9월 25일 발표됐다.

전고체전지는 액체 대신 고체 전해질을 쓰며, 전해질은 전지 안에서 리튬이온 같은 이온이 이동하는 통로다.

에너지 밀도를 높이려면 전지를 얇게 만들어야 하지만, 기존 필름 방식은 찢어짐을 막기 위해 전해질을 70~120마이크로미터(㎛) 두께로 제작해야 했다.

전극 위에 슬러리를 직접 바르고 말리는 방식은 액체가 전극 내부로 스며들어 전극을 변형시키거나 전해질 두께를 고르지 않게 만들 수 있다.

연구팀은 고체 전해질의 일종인 LLZTO 슬러리를 PET-PDMS 기판에 바르고 굳힌 뒤, 롤러에 붙여 전극으로 옮겼다.

얇은 막이 기판에서는 잘 퍼지고 건조 후에는 깨끗이 떨어지며, 전극에는 잘 붙도록 재료 간 친화도를 나타내는 한센 용해도 지수(HSP)를 활용해 각 단계의 재료를 골랐다.

그 결과 120제곱센티미터 면적에서 평균 두께 약 15㎛, 편차 1㎛인 균일한 층을 구현했다.

성능 비교에서도 차이가 나타났다.

25℃에서 새 전해질의 리튬이온 전도도는 2.83×10⁻⁴ S/cm로, PE 분리막에 같은 고분자 전해질을 채운 비교군의 1.69×10⁻⁴ S/cm보다 약 50% 높았다.

충·방전을 100회 반복한 뒤 전하 용량은 전사 인쇄 전지가 83.6% 유지한 반면 직접 코팅 전지는 36.1%였다.

전사 인쇄를 적용한 파우치형 전지는 150℃에서 2시간 30분 가열해도 안정적인 전압을 유지했다.

연구진은 전극에 막을 직접 바를 때 생기는 결함을 줄여 대면적 생산의 불량 감소와 수율 향상에 도움이 될 수 있다고 설명했다.