단위셀을 직렬로 10개 연결해 제작한 바이폴라 구조의 전고체전지 셀스택. [한국생산기술연구원 제공]

반영구적으로 사용할 수 있다는 장점으로 리튬이차전지는 전기자동차, 신재생에너지 대용량 전력저장시스템(ESS) 등에 널리 활용되고 있다.

하지만 리튬이차전지는 외력에 의해 누출될 우려가 있는데다 과충전, 열 충격 등에 의한 발화 및 폭발 위험성이 높다는 것이 문제점으로 지적된다.

이 같은 리튬이차전지의 문제점을 극복하기 위해 최근 발화와 폭발위험이 없는 안정성이 높은 ‘전고체전지’ 연구개발이 활발히 진행중이다.

전고체전지란 전지 내부 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 모두 고체로 제조, 기존 리튬이차전지의 전해액 누출 우려가 없어 안전성이 크게 높인 차세대 이차전지다.

이와 관련 한국생산기술연구원 김호성 박사 연구팀은 폭발 및 화재위험을 없애고 배터리 팩의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 전고체전지 제조기술을 개발, 상용화에 대한 기대감을 높이고 있다.

연구팀이 개발한 전고체전지는 다수의 단위셀이 하나의 셀스택 안에서 직렬로 연결된 바이폴라 구조로 설계·제작돼 고전압 구현에 유리하다는 평가다.

연구팀은 먼저 내열성과 내구성이 뛰어난 산화물계 고체전해질 소재 가넷 LLZO(리튬 란타늄 지르코늄 산소) 소재를 활용했다. LLZO 소재는 안전성이 뛰어나지만 제조공정 비용이 비싸고 이온전도도가 상대적으로 낮아 상용화에 어려움을 겪어왔다.

연구팀은 저가의 연속생산 공정을 도입해 LLZO 분말의 생산비용을 최소화하고 분말 입자를 나노화하는데 성공했다.

개발된 나노급 LLZO 고체전해질 분말은 이종 원소(갈륨·알루미늄) 도핑에 의해 소결시간이 약 5배 이상 단축돼 비용이 크게 절감됐고, 이온전도도가 기존 보다 3배 이상 개선됐다. 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.

또한 셀스택에 사용된 단위셀은 400회의 충방전 실험 결과 배터리 초기 용량의 약 84%를 유지, 종래 전고체전지보다 수명 특성이 5배 이상 개선됐다.

김호성 박사는 “최근 잇따른 신재생에너지 ESS 폭발 및 화재로 배터리의 안전성이 중요해지는 상황에서 국내 기술력으로 기존 전지를 대체할 수 있는 차세대 전고체전지 제조기술 확보에 성공했다”면서 “LLZO 소재 제조기술은 이미 국내 기업에 이전 완료됐고, 셀스택 사업화에 착수해 조기 상용화에 주력할 계획”이라고 말했다.

한편 일본 후지경제연구소에 따르면 세계 전고체전지 시장은 오는 2035년 약 28조원 규모로 확대될 전망이다.

구본혁 기자/nbgkoo@heraldcorp.com