KERI, 꿈의 배터리 ‘전고체전지’ 저비용 대량생산 길 열다!-고체 전해질 제조비용 1/10 대폭 절감하는 ‘특수 습식합성법’ 개발

KERI, 꿈의 배터리 ‘전고체전지’ 저비용 대량생산 길 열다!-고체 전해질 제조비용 1/10 대폭 절감하는 ‘특수 습식합성법’ 개발

작성자전체관리자 작성일2020-09-08

 

 

KERI, 꿈의 배터리 ‘전고체전지’ 저비용 대량생산 길 열다!
박준우 박사팀, 고체 전해질 제조비용 1/10 대폭 절감하는 ‘특수 습식합성법’ 개발
기존 리튬이온전지 양극과 동일한 생산라인을 활용한 ‘고체 전해질 최적 함침 기술’도 선보여
전기차 분야 차세대 전지로 손꼽히는 ‘전고체전지용 고체전해질’을 90% 이상 절감한
아주 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국전기연구원(KERI, 원장 최규하) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀은 최근 3년간
자체 정부출연금사업(과제명: 고에너지밀도 리튬전고체전지용 고체전해질 기반 원천소재
기술 개발, 연구책임자: 이상민 차세대전지연구센터장, 연구기간: 2017.01~2019.12)을 통해
▲전고체전지의 핵심 구성요소인 ‘고체 전해질’을 현존 가격대비 1/10 수준의
비 용으 로 제 조 할 수 있는 ‘특수 습식합성법’과 ▲전고체전지의 대량생산을
가능하게 하는 ‘고체전해질 최적 함침1) 기술’을 개발했다고 밝혔다.
▲ 리튬이온전지와 전고체전지 비교
1) 함침 : 화학물질을 다른 물질에 침투 혹은 스며들게 하는 과정

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전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 기존 가연성의
액체에서 고체로 대체한 전지다. 고체 전해질을 사용하기 때문에 화재의 위험이 없고,
온도 변화나 외부 충격을 막기 위한 안전장치 및 분리막이 따로 필요하지 않아
전지의 고용량화, 소형화, 형태 다변화 등 사용 목적에 따라 다양하게 활용이 가능한
차세대 유망 기술로 손꼽힌다.
고체 전해질을 제조하는 방법은 고에너지 볼밀링 공정을 통한 ‘건식합성법’과
화학반응을 활용하는 ‘습식합성법’이 있다. 습식합성법은 건식합성법과 비교했을 때,
복잡한 공정 없이 고체 전해질을 대량으로 생산할 수 있어 많이 활용되고 있지만,
결과물의 이온 전도도가 상대적으로 낮다는 단점이 존재했다.
이번에 KERI가 개발한 성과는 독자적으로 개발한 고체전해질 합성법은 낮은 순도의
저렴한 원료(출발물질)로도 성능이 뛰어난 고체 전해질을 대량생산할 수 있는
‘특수 습식합성법’ 기술이다.
▲ 기존 고체 전해질 제조법과 ‘KERI 특수 습식합성법’과의 비교

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연구팀은 최적의 합성을 가능하게 하는 첨가제를 통해 간단한 공정으로 대량생산이
가능한 습식만의 장점과, 높은 이온 전도도를 가진 고체 전해질을 만들 수 있는
건식만의 장점을 모두 확보할 수 있는 제조 공정을 실현했다.
무엇보다 기존의 고체 전해질 합성법은 건식과 습식에 상관없이 모두 비싼
고순도의 원료를 활용해야만 했는데, KERI가 개발한 특수 습식합성법을 활용하면
기존 고순도 원료 대비 1/10 수준 가격인 저순도 원료로도 높은 이온 전도도를 가진
좋은 성능의 고체 전해질을 대량으로 생산할 수 있다.
이와 더불어 KERI는 전고체전지용 양극(+)의 대면적 생산과 생산비용 절감을
가능하게 하는 ‘고체전해질 최적 함침 기술’도 개발했다. 양극은 전지의 용량을
결정하는 핵심 구성요소 중 하나다.
그동안 전고체전지를 만들기 위해 고체 전해질을 용매에 녹여 전극에 스며들게 하는
방법을 연구해 왔지만, 녹인 용액의 점도가 높아 충분한 양의 고체 전해질 용액이
함침되기 어려웠다. 이에 연구팀은 최적화된 함침 공정 설계를 통해 고체 전해질을
양극에 균일하게 분산하는 기술을 개발하는데 성공했고, 이를 통해 낮은 비율의
고체 전해질만으로도 활물질2)을 많이 포함하여 높은 에너지밀도를 가진 전고체전지용
양극을 제조할 수 있었다.
▲ 최적 함침 전 양극 단면
(고체 전해질 용액이 두꺼운 전극 안쪽까지
들어가지 못하고 표면에 많이 쌓임)
▲ KERI 최적 함침 후 양극 단면
(고체 전해질 용액이 두꺼운 전극 안쪽까지
균일하게 침투)
해당 기술의 최대 장점은 액체 전해질 기반 리튬이온전지 양극을 제작하던
기존의 생산라인을 거의 그대로 활용할 수 있다는 점이다. 이를 통해 기존
리튬이온전지 제 조 사 들 도 함침을 하는 공정파트의 설비 일부만 구축하면
2) 활물질 : 리튬이온을 흡수 및 방출하면서 전기를 저장하거나 생성하는 소재

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쉽게 전고체전지를 대 량 생 산 할 수 있 게 된 다 . 관련 연구결과는 우수성을
인 정 받 아 세 계 최 고 의 과 학 전 문 지 ‘네 이 처 ’의 자 매 지 인 ‘사 이 언 티 픽
리 포 트 (Scien tific R eports)에 최 근 게 재 되 기 도 했 다 .
▲ KERI 고 체 전 해 질 최 적 함침 기 술을 통 한 전 고 체전 지 대량 생 산 가 능
핵심 개발자인 박준우 박사는 “KERI 특수 습식합성법은 비싼 원료와 복잡한
고에너지 공정방식이 없어도 높은 수득률3)로 고체 전해질을 제조할 수 있는
획 기 적 인 제 조 기 술 이 고 , 함 침 기 술 은 기업에서 비싼 비용을 들일 필요 없이
기존 생산라인을 활용해 쉽고 간단하게 전고체전지를 대량생산할 수 있는
최적의 공정 기술이다”고 밝혔다.
연구 책임자인 이상민 센터장은 “전고체전지의 가장 핵심이 되는 저가형
고체 전해질 소 재 에 대 한 합 성 법 이 개 발 돼 그 실 현 시 기 를 앞 당 길 수
있 게 됐다 ”며 “현재 산업부 리튬기반 차세대 이차전지 성능 고도화 및 제조
기술 개발 사업의 성공 수행에도 큰 기여를 하게 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
연구팀은 이번 성과가 전고체전지의 대형화 및 대량생산이 요구되는 전기차,
전력저장장치(ESS) 등 다양한 분야에 활용될 것 으 로 보고 기 술 사 업 화 를
추진하고 있다. 현 재 기 술에 대 한 원천 특 허 출 원 을 2019년에 완료했으며,
관심 있는 수요업체를 발굴하여 ‘꿈의 배터리’라 불리는 전고체전지의 상용화를
주도한다는 목표다.
3) 수득률 : 화학 반응을 통해 기대하는 결과물을 100으로 보았을 때 실제로 얻은 물질의 양의 비율. 일종의 효율성 지표

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□ 전지(배터리) 주요 용어 설명
▲ 리튬이온전지의 구조
활물질 : 리튬이온을 흡수 및 방출하면서 전기를 저장하거나 생성하는 소재. 리튬이온전지에서는
리튬금속산화물 소재와 흑연 소재가 각각 양극 및 음극 활물질로 사용된다.
전해질 : 일반적으로는 물과 같은 용매에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류가 흐르는
물질을 일컬음. 리튬이온전지에서는 카보네이트계 유기 용매에 리튬염 전해질을 녹인
전해액을 다공성 전극과 분리막에 스며들게 하여 전지 내부에서 전류가 흐르게 한다.
고체전해질에서는 고체 격자 내에서 리튬이온의 확산에 의해 전류가 흐른다.
도전재 : 전자 흐름을 돕는 소재. 주로 탄소계 소재가 사용된다.
바인더 : 활물질, 도전재와 같은 고체분말이 상호간 또는 집전체와 잘 접착하도록 돕는 고분자
소재. 전극을 안정화하면서 주변에 잘 접착하도록 돕는다.
집전체 : 전극에서 전기를 모아 외부로 전달하거나 전달받기 위해 사용되는 금속 시트.
양극에는 알루미늄 시트, 음극에는 구리 시트를 사용하고 있다.
분리막 : 양극과 음극의 직접적인 접촉은 차단하면서 이온을 전달하는 다공성 막. 리튬이온
전지에서는 0.01~1㎛(마이크로미터)의 미세한 구멍이 있는 고분자 소재를 사용하며
구멍 속에 스며든 전해액을 통해 리튬이온이 전달된다. 전고체전지에서는 고체
전해질이 전해액과 분리막의 역할을 동시에 한다.
첨부1 주요 용어 설명

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1. 인적사항
○ 소 속 : 한국전기연구원 차세대전지연구센터

3. 경력사항
○ 2013.03 ～ 현재 : 한국전기연구원 차세대전지연구센터 선임연구원
○ 2020.07 ～ 현재 : 한국전기연구원 차세대전지개발팀 팀장
○ 2016.12 ～ 현재 : 산업통상자원부 산업기술혁신평가단 평가위원
○ 2019.01 ～ 현재 : 한국전지학회 편집이사
4. 주요수행 과제 및 논문·특허 실적
○ 고에너지밀도 리튬전고체전지용 고체전해질 기반 원천소재기술 개발 (2017～)
○ 고에너지밀도 플렉시블 전지 원천기술 개발 (2019~)
○ 대용량 전력저장용 레독스흐름전지(RFB) 시험인증센터 구축 (2019～)
○ 전기선박용 고신뢰성 중대형 리튬이차전지시스템 개발 (2017～2018)
○ 잠수함용 리튬전지모듈 성능 및 안전성 평가 (2020～)
○ 17 SCI(E) Publications
○ 38 Patents Filed
첨부2 연구자 이력사항 (박준우 박사/선임연구원)

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첨부3 한국전기연구원(KERI) 소개
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구
기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서
우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계
대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에
2개의 분원(안산, 의왕)과 1개의 지역본부(광주)가 있으며, 전체 직원수는 760여명에 달한다.
KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여
국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 중심 연구분야는
전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기물리 연구 및 산업응용 기술,
나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기 등이다. 그동안 △765kV
초고압 전력설비 국산화 △차세대 전력계통운영시스템(EMS) △원전 계측제어
시스템(I&C) △한국형 배전자동화(KODAS) 기술 △펨토초 레이저 광원 기술
△고출력 EMP 보호용 핵심소자 기술 △전기차용 탄화규소(SiC) 전력반도체 기술
△고압직류송전(HVDC)용 직류차단기 기술 등 공공의 이익과 관련된 분야에서
선진국들과 경쟁이 가능하고 업계가 주목하는 대형 원천기술들을 확보하는 한편,
산업계 기술이전을 통해 국가산업 발전에 기여하고 있다.
KERI는 또한 전력기기에 대한 국가공인시험인증기관이자 세계 3대 국제공인시험인증기관으로서
세계적 경쟁력과 신뢰성을 확보하고 있다. 2011년 ‘세계단락시험협의체(STL)’ 정회원
자격을 획득했으며, 세계 최고 수준 설비와 전문인력을 바탕으로 KERI의 시험성적서가
전 세계 시장에서 통용되게 함으로써 국내 중전기기업체의 해외시장 개척에 기여하고
있다. 2016년 중전기기산업계의 오랜 숙원이었던 4000MVA 대전력설비 증설을
성공적으로 마무리함으로써 국내 중전기기업체들의 시험과 관련한 애로사항을
상당부분 해소했으며, 현재 보다 질 높은 시험인증서비스를 제공하기 위한 ‘통합
시험운영시스템’을 구축했다. 또한 2025년까지는 광주, 나주지역 등으로 시험
인프라를 확대해 나갈 예정이며, 이를 통해 세계 최고의 시험인증기관으로 자리
매김하기 위한 기반을 구축해간다는 목표다.
KERI는 향후 신기후 체제, 4차 산업혁명 등 관련 유망 융합 분야를 발굴하고, 모든
일상에서 전기가 중심이 되는 '전기화(電氣化, electrification)'에 따른 대응환경을
구축하는 등 미래를 선도하는 기술개발에 주력해 나갈 예정이다. 특히 2018년 4월
최규하 박사가 제13대 원장으로 취임한 것으로 계기로 국민과 함께하는 출연연구기관
으로서의 공적 역할과 미래 핵심가치를 선도하는 세계 최고 전문연구기관
‘Glocal(Global+Local) KERI’로서의 새로운 도약을 다짐하고 있다.