KETI, 전고체전지 제조 공정 향상을 위한 소재 기술 개발

전지 핵심소재인 황화물계 고체전해질 유해가스 발생 억제 효과

재료화학 분야 국제 저명 학술지에 연구 성과 게재

[사진= KETI 제공] 제올라이트 첨가 후 양극재 주위에 흡착된 수분 및 황화수소 (SE: 고체 전해질, H2O: 물, H2S: 황화수소)

한국전자기술연구원(KETI)은 전고체전지 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 황화수소 가스 발생량을 저감하는 소재 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지다. 장점은 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지에 비해 에너지 밀도가 높다는 점이다.

고체전해질은 전지 내 리튬이온이 전도 가능한 고체 상태의 물질로, 현 리튬이온전지에 적용되는 전해액 수준의 높은 이온 전도도를 지닌 물질을 말한다.

고체전해질을 구성하는 핵심 소재로는 폴리머·황화물·산화물 등이 있지만, 그중에서도 연성이 크고 이온 전도도가 높은 황화물계 고체전해질이 고용량 대형 전지 제조에 적합한 것으로 평가받는다.

KETI 차세대전지연구센터에서 개발한 소재 기술은 고체전해질에 제올라이트 나노입자를 소량 첨가·합성함으로써 황화수소 발생을 감소시키는 것이 핵심이다. 이 기술은 대기 내 수분과 황화수소 가스를 동시에 흡착하는 제올라이트의 특성을 활용했다.

황화물계 고체전해질은 수분에 대한 반응성이 높아 유해가스인 황화수소가 발생한다는 단점이 있고, 결국 전지 성능 저하 및 전지 제조 공정에서 취급을 어렵게 했다.

이 기술을 적용하면 대기(상대습도 50%) 노출 시에도 황화수소 발생량이 3분의 1 수준으로 감소해 전해질 소재의 열화를 방지할 수 있다. 이는 전지 수명을 안정적으로 확보할 수 있고, 전지 자체가 파괴되더라도 황화수소의 발생을 줄이기 때문에 전지 안전성 확보에 효과적이다.

기술 개발을 주도한 조우석 책임연구원은 "첨가제의 개념으로 기존 소재를 활용했기 때문에 신규 소재를 개발하는 것 대비 단기간에 효율적인 기술 확보가 가능했다"라며 "차세대전지 핵심 기술들을 발판으로 향후 고체전해질 신규 소재 개발에도 박차를 가하겠다"라고 밝혔다.

한편 이번 연구 성과는 재료화학 분야 국제 학술지인 '재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A)' 최신호(7월 22일 자)에 게재됐다.