전고체전지 전해질을 스티커처럼 제작…얇고 균일하게 붙이는 방법은?

한국화학연구원 연구팀이 전고체전지의 핵심 부품인 고체 전해질을 별도 기판에서 만든 뒤 전극에 옮겨 붙이는 전사 인쇄 기술을 개발했다. 한국화학연구원은 이 연구 결과가 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 9월 25일 발표됐다고 10월 26일 밝혔다.

전고체전지는 액체 전해질을 쓰는 기존 리튬이온전지와 달리 고체 전해질을 이온 이동 통로로 사용하며, 에너지 밀도가 높고 화재 위험이 낮은 배터리로 주목받는다.

전지의 에너지 밀도를 높이려면 전해질을 얇고 넓게 만들면서 두께를 고르게 유지해야 한다. 하지만 기존 필름 제조법은 찢어짐을 막기 위해 전해질을 70~120㎛ 두께로 만들어야 했다. 전극에 슬러리를 직접 바르는 방식은 액체가 전극 안으로 스며들어 전극을 변형시키거나 전해질 두께를 들쭉날쭉하게 만들 수 있다.

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

공정의 핵심은 슬러리가 기판에 고르게 퍼지고, 건조 후에는 기판에서 잘 떨어진 다음 전극에는 잘 붙도록 접착력을 조절하는 것이다. 연구팀은 물질 간 친화도를 나타내는 한센 용해도 지수(HSP)를 활용해 각 단계에 맞는 재료를 골랐다.

그 결과 120㎠ 면적에서 평균 두께 약 15㎛, 편차 1㎛의 균일한 전해질 층을 구현했다. 20㎛ 이하의 얇은 전해질을 넓은 면적에 고르게 만든 점이 기존 필름 방식과 다른 대목이다.

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.

직접 코팅 방식과 비교한 충·방전 시험에서는 100회 반복 후 전하 용량이 전사 인쇄 전지에서 83.6%, 직접 코팅 전지에서 36.1% 유지됐다. 전사 인쇄 기술을 적용한 파우치형 전지는 150℃에서 2시간 30분 가열해도 안정적인 전압을 유지했다.

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