한국전기연구원이 전고체전지 상용화를 앞당길 '고체전해질용 황화실리콘 저가 제조기술'을 개발했다.

전기연구원 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀·금오공대 신소재공학부 박철민 교수팀은 20일 '고체전해질용 황화실리콘 저가 제조기술' 개발에 성공했다고 밝혔다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌 고체로 대체한 것이다. 액체전해질보다 화재나 폭발 위험성이 적으며 이온전도가 높아 차세대 배터리로 불린다. 

다만 제조공정 난해·양산화 어려움·높은 단가 등 상용화까지 해결해야 할 많은 과제를 안고 있다.

이번에 하윤철 박사팀이 주목한 소재는 황화실리콘이다. 전고체전지용 고체전해질에 황화실리콘을 첨가하면 이온 전도도·수분 안정성을 향상시킬 수 있다. 

하지만 황과 실리콘은 합성 과정에서 높은 반응온도가 필요하다. 황은 높은 반응온도에서 증기압이 너무 커지는 문제가 발생해 제조 난도가 높다. 이러한 이유로 황화실리콘은 현재 가격이 20g당 약 170만 원에 달할 정도로 비싸다. 

연구팀은 황과 실리콘의 배치를 최적화해 합성 조건을 확립했다. 구체적으로 800도가량 반응온도에서도 황이 기화에 따른 증기압을 버틸 수 있도록 완벽한 밀폐 환경을 구현하는 데 성공했다. 

결과물도 상용 제품의 품질과 대등했다. 연구팀은 만들어진 황화실리콘을 고체전해질 제조에 활용한 결과, 2배 이상 높은 이온 전도도·수분 안정성을 확보했다고 밝혔다. 공정 최적화로 과정은 단순화하고 제조비 감소도 기대할 수 있게된 셈이다.

하윤철 전기연 박사는 "황 증기압 상승을 해결하기 위해 국내외 많은 연구진이 고가의 원료를 사용하거나, 특수 공정을 도입하는 등 어려움을 겪었다"며 "우리 성과로 고체전해질용 황화실리콘을 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 길이 열리게 될 것"이라고 전했다.

연구팀은 황화실리콘을 액체전해질 기반 리튬이온전지 음극 활물질 분야에도 적용해 유의미한 결과를 얻기도 했다. 

황화실리콘 관련 전반적인 연구결과는 에너지·연료 분야 세계적 논문인 <저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)> 표지논문으로 최근 선정됐다.

전기연은 해당 기술 특허 출원을 준비하고 있다. 전기연은 이번 성과가 전고체전지 관련 기업에서 러브콜을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 상용화를 추진할 계획이라고 밝혔다.

/안지산 기자