전고체전지 전해질 제조법 개발…스티커처럼 붙이면 무엇이 달라질까

한국화학연구원 연구팀이 전고체전지의 고체 전해질 막을 별도 기판에서 만든 뒤 전극에 옮겨 붙이는 전사 인쇄 기술을 개발했다. 전극에 전해질을 직접 바를 때 생기는 변형과 두께 불균일을 줄이려는 방법이다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 9월 25일 발표됐고, 화학연은 10월 26일 이를 공개했다.

전고체전지는 액체 대신 고체 전해질을 쓰며, 전해질은 전지 안에서 이온이 이동하는 통로다. 에너지 밀도가 높고 화재 위험이 낮아 주목받지만, 에너지 밀도를 높이려면 얇고 넓은 전해질 막도 두께를 균일하게 만들어야 한다. 원문은 20마이크로미터(㎛) 이하의 막을 목표로 제시한다.

기존 필름 제조 방식은 찢어짐을 막기 위해 70~120㎛ 두께가 필요했고, 전극에 슬러리를 직접 바르면 전극 안으로 스며들어 변형되거나 막 두께가 고르지 않을 수 있었다.

강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원이 이끈 연구팀은 고체 전해질 LLZTO 슬러리를 PET-PDMS 기판에 바르고 말린 뒤, 막을 롤러에 붙여 전극에 옮겼다. 기판에서는 슬러리가 고르게 퍼지고, 굳은 막은 기판에서 떨어지면서 전극에는 잘 붙어야 한다.

연구팀은 재료 간 친화도를 나타내는 한센 용해도 지수로 공정 단계별 재료를 선정했다. 그 결과 120제곱센티미터 면적에 평균 두께 약 15㎛, 편차 1㎛인 균일한 막을 구현했다.

25℃에서 측정한 리튬이온 전도도는 2.83×10⁻⁴ S/cm였다. 비교군인 PE 분리막에 같은 고분자 전해질을 채운 일반 배터리는 1.69×10⁻⁴ S/cm로, 원문은 개발 전해질의 전도도가 약 50% 높다고 밝혔다.

충·방전을 100회 반복한 뒤 전하 용량은 전사 인쇄 전지에서 83.6%, 직접 코팅 전지에서 36.1% 유지됐다. 전사 인쇄를 적용한 파우치형 전지는 150℃에서 2시간 30분 가열해도 안정적인 전압을 유지했다. 강 책임연구원은 이 기술이 대면적 생산에서 결함을 줄여 불량 감소와 수율 향상으로 이어질 수 있다고 말했다.