화학연, 전고체전지 전해질 '스티커처럼' 붙인다

15㎛ 두께 전해질 120㎠ 면적에 균일 제작

100회 충·방전 후 용량 83.6% 유지

한국화학연구원은 강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원 연구팀이 고체전해질을 넓은 면적에 균일하게 제조하는 '전사 인쇄' 공정을 개발했다고 26일 밝혔다. ⓒ한국화학연구원

국내 연구진이 전고체전지의 핵심 부품인 고체전해질을 얇은 막으로 만든 뒤 스티커처럼 전극에 옮겨 붙이는 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원 연구팀이 고체전해질을 넓은 면적에 균일하게 제조하는 '전사 인쇄' 공정을 개발했다고 26일 밝혔다.

전고체전지는 액체 대신 고체전해질을 사용해 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도를 높일 수 있는 차세대 배터리다. 높은 에너지 밀도를 확보하려면 전해질을 20㎛(마이크로미터) 이하로 얇게 만들어야 한다.

하지만 기존 방식은 막이 찢어지지 않도록 두껍게 만들거나 전극에 직접 바르는 과정에서 두께가 불균일해지는 문제가 있었다.

연구팀은 별도 기판에 고체전해질을 얇게 코팅한 뒤 롤러로 압착해 전극에 옮기는 방식을 적용했다. 재료 간 친화도를 수치로 계산해 코팅과 전사에 적합한 조건도 찾아냈다.

그 결과 가로 6㎝, 세로 20㎝의 120㎠ 면적에 평균 15㎛ 두께의 고체전해질 막을 균일하게 구현했다. 두께 편차는 약 1㎛에 그쳤다.

배터리 성능도 개선됐다. 100회 충·방전 이후 전사 인쇄 방식으로 제작한 전지는 초기 용량의 83.6%를 유지했다. 기존 직접 코팅 방식의 36.1%보다 47.5p 높은 수준이다.

고온 안전성 시험에서도 차이를 보였다. 전사 인쇄 전지는 150℃에서 2시간 30분 동안 안정적인 전압을 유지한 반면, 기존 폴리에틸렌(PE) 분리막 기반 전지는 약 10분 만에 내부 단락이 발생했다.

연구팀은 이번 기술이 전고체전지의 대면적 생산 과정에서 결함을 줄이는 데 활용될 것으로 기대하고 있다. 향후 인공지능(AI)을 활용해 공정에 적합한 소재 조합을 선별하는 연구도 추진할 계획이다.

이번 연구에는 추슬기 석사후연구원이 제1저자로, 강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원이 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 9월 게재됐다.

강영구 책임연구원은 "대면적 생산 시 불량 감소와 생산수율 향상이 가능하다"고 말했다.