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배포일자 : 2025.01.16.(목)				배포번호 : 2025-06호
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매수 : 보도자료 3매 (참고자료, 1매, 사진자료 7매)						배포처 : ETRI 홍보실

ETRI, 전고체 이차전지용 초박막 고체전해질막 개발

- 섬유화 바인더 소재적용 건식공정통해 얇고 견고한 고체전해질막 제조

- 기존 고분자 분리막 두께 근접 18㎛두께로 10배이상 에너지밀도 증가

국내 연구진이 안전성이 높아 차세대 리튬이차전지로 알려진 전고체 이차전지용 핵심기술 개발에 성공했다. 본 성과는 에너지 소재 분야 세계적인 학술지인 ‘스몰’지 온라인에 지난해 말, 표지논문으로 게재되었다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기계적 전단(힘을 가함)시 쉽게 섬유화가 되는 바인더 소재를 기반으로 용매의 사용 없이 고체전해질 분말과 혼합공정을 통해 분리막을 개발했다. 이 고체전해질막은 제조가 간단하고 빠르며 매우 얇고 견고한 게 특징이다.

일반적으로 전고체 이차전지 연구에서는 제조공정에서 딱딱한 고체전해질 사용 시 막의 내구성을 높이기 위해 두께가 수백 마이크로미터(㎛)에서 1밀리미터(㎜)까지 두껍게 사용한다. 그러나 이는 기존 고분자 분리막 대비 너무 두꺼워 에너지 밀도의 손실이 매우 크다는 단점이 있었다.

연구진은 기계적 전단(힘)을 가할 시 섬유화 거동을 보이는 바인더 소재를 적용해, 건식공정을 통해 기존 상용화된 리튬이온전지 분리막 두께에 근접한 18㎛의 초박막형 고체전해질막을 제조했다.

이를 통해 연구진은 셀 부피를 대폭 감소시켜 고에너지밀도 및 고성능 전고체 이차전지를 만들었다. 1㎜ 두께의 후막형 고체전해질막 대비 최대 10배 이상 에너지 밀도를 높인 셈이다.

이번 연구에서는 기존 상용화된 고분자 분리막의 두께에 근접한 고체전해질막을 통해 충·방전 간 이온전달속도를 향상시키면서 동시에 셀 부피 및 무게를 대폭 감소, 고에너지 밀도의 전고체 이차전지 개발이 가능해질 것으로 보인다.

또한, 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계를 밝히면서 최적화된 초박막형 고체전해질막 개발을 위한 공정 표준도 제시했다. 따라서 앞으로는 제조 공정상에서 정확한 바인더의 양 투입으로 경제성있는 막 형태를 제조 가능케 되었다.

차세대 이차전지로 각광받는 전고체 이차전지는 전지 내 이온전달을 위한 매개체를 액체상에서 고체상 소재로 바꾸어 발화, 폭발 및 누액 등 위험성을 원천적으로 차단해 안전성을 현저히 높인 전지 시스템이다.

이러한 전고체 이차전지에 있어 핵심소재는 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막아주면서 이온을 전달하는 고체전해질막이다. 기존 리튬이온전지에서 액체전해질과 분리막 역할을 동시에 수행하는 막을 만든 셈이다.

전지 생산 공정간 액체전해질의 경우 직접 주입을 통해 제조가 진행되지만, 고체전해질의 경우 막 형태로 별도로 제조해 전지 생산에 적용된다.

반면, 분말 형태의 고체전해질과 섬유화 바인더를 기계적으로 혼합해 막을 제조하는 건식공정은 바인더의 함량을 최소화하고 용매의 사용을 배제할 수 있어 기존 슬러리 기반 테입 캐스팅 공정대비 견고하면서 두께 조절이 쉬운 고이온전도성 고체전해질막 제조가 가능하다.

이에 ETRI 연구진은 건식공정에 필수적으로 사용되는 섬유화 바인더의 얽힘 정도를 극대화하는 기계적 전단 공정 최적화를 통해 초박막형 고체전해질막을 제조하는 데 성공했다.

연구진은, 고분자 바인더의 분자량과 섬유화시 얽힘 정도의 상관관계를 구조 분석을 통해 정량화했다. 전단 과정에서 공정 온도 및 시간을 최적화해 최대 98%의 고분자 바인더 섬유화를 유도, 강한 얽힘 구조의 바인더 네트워크를 형성시킬 수 있었다.

ETRI 스마트소재연구실 박영삼 박사는“분리막 수준의 두께의 고체전해질막 대면적화 성공으로 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있어 가격경쟁력이 높은 전고체 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

연구책임자인 ETRI 스마트소재연구실 신동옥 박사도“고분자 바인더 섬유화 현상에 대한 심도있는 이해를 통해, 그동안 난제였던 고체전해질막의 초박막화를 간단하고 빠른 공정으로 해결한 결과라 할 수 있다.”고 설명했다.

특히, 연구진은 기존 건식공정에서 다뤄지지 않은 최적 전단 공정 표준을 제시한 결과로 전고체 이차전지 복합 양극 및 음극으로 확대 적용이 가능하고 환경오염을 유발하는 용매의 사용을 원천적으로 배제할 수 있는 제조공정이 가능할 수 있어 그 의미가 크다고 밝혔다.

ETRI 연구진은 이번 연구를 통해 고체전해질 박막화에 초점을 맞췄지만, 추가적인 이온전도 성능 향상 및 전극과의 안정적인 계면 제어를 위한 연구를 진행할 예정이다. 아울러 연구진은 초박막 고체전해질막이 적용된 파우치형 셀을 제조하고 안정적인 충·방전 결과를 보고해 상용화의 가능성도 함께 제시했다.

본 연구는 ETRI 신동옥 박사와 박영삼 박사가 교신저자로, UST 윤석윤 석·박통합과정생이 1저자로 참여했다. 아울러 본 연구는 ETRI 미래원천 창의전문연구실 사업, 산업통상자원부‘리튬 기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발’사업 및 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 사업 지원으로 수행되었다. <보도자료 본문 끝>

용어설명

1) 스몰(Small IF: 13.0, 분야별 JCR: 93.258), URL( 온라인게재(24.11.12.), 커버선정됨

2) 전단(Shear force) : 크기가 같고 방향이 서로 반대되는 힘들이 어떤 물체에 대해서 동시에 서로 작용할 때 그 대상 물체 내에서 면(面)을 따라 평행하게 작용하는 힘을 층 밀림 힘(전단력)

3) 섬유화가 되는 바인더 소재 : 큰 덩어리에서 힘을 주게 되면 로프처럼 한가닥씩 분리가 되는 풀과 같은 소재

4) 고체전해질막 : 얇은 두께와 유연성을 가지는 고체전해질로 구성된 막 (Membrane)

5) 분리막 : 10~20um두께의 고분자로 제조된 분리막으로 액체전해질기반 리튬이온전지에 사용됨

6) 섬유화 : 고분자 등 소재가 가늘고 긴 섬유(Fibril) 형태로 변형되는 과정

7) 건식공정 : 용매의 사용이 없이 고체 분말을 이용하여 전극을 형성하는 공정으로 에너지 및 비용이 절감되고 고에너지 밀도 전극 제조가 가능하며, 유해물질 사용을 최소화하여 환경적 이점이 있음.

8) 얽힘(entanglement) : 고분자 바인더가 섬유형태 (Fibrils)로 분리되면서 서로 엉키는 현상으로 고분자가 기계적 물성을 향상시키는 구조적 특성

9) 전고체 이차전지(All-solid-state battery): 액체상 전해질을 고체상 전해질로 대체한 전지

10) 적용된다. : 일반적으로 고체전해질막은 슬러리를 제조해 테입 캐스팅 공정을 통해 제조된다. 하지만, 사용하는 용매에 의해 고체전해질이 쉽게 반응해 성능이 저하되고, 캐스팅 후 용매 제거 공정이 요구되어 균일한 두께 및 높은 밀도의 고체전해질막 제조가 어렵다.

11) 슬러리 : 고체전해질 분말, 바인더, 용매가 혼합된 혼합현탁액

12) 테입 캐스팅 공정 : 고형 물질, 바인더, 첨가제를 용매와 혼합한 슬러리를 기판 위에 얇게 도포하고 건조하여 필름을 제작하는 공정

13) 0.5 wt% : 전체 고체전해질막 대비 바인더 무게비

14) 바인더의 분자량과 섬유화시 얽힘 정도의 상관관계 : 이러한 강한 얽힘 구조의 바인더는 매우 낮은 0.5 wt% 함량을 적용했음에도 불구하고 12x12 ㎠의 면적으로 그 두께를 18㎛까지 줄이면서면서도 고체전해질막을 제조할 수 있었다. 이온전도 성능은 기존 펠렛형 고체전해질층 대비 30배 향상을 보였다. 또한, 셀 제조시 단셀 구조에서도 191 Wh/kg 과 481 Wh/L의 에너지 밀도를 보여 고체전해질막을 두께만을 줄임으로써 에너지 밀도가 대폭 향상시킬 수 있음을 밝혔다.

참고

전고체 이차전지용 초박막형 고체전해질막 개발 관련 설명자료

<건식 공정을 통한 대면적 고체전해질막 제조 공정 (좌), 0.5 wt% 바인더가 포함된 18 μm 두께 초박막형 고체전해질막 (중), 및 1100 μm 두께의 고체전해질 펠렛과 18 μm 고체전해질막의 이온전도도 및 면적당 컨덕턴스 비교 (우)>

<LED바를 구동시키는 파우치형 전고체 이차전지 (좌상), 복합양극, 고체전해질막, 및 복합음극층들의 두께를 나타내는 내부 단면 구조 SEM사진 (하), 27 °C에서 7 MPa 구동압력 조건하에서 0.5C조건으로 충방전 구동 결과 (우상)>