국제 저명 학술지 표지논문으로 선정된 한국전기연구원 전고체전지 관련 연구결과. (사진=KERI 제공)

한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 소속 연구개발팀(하윤철, 박준우, 김병곤, 이유진, 박준호, 이원재, 유지현, 이철호)의 ‘전기차용 차세대 전고체전지(황화물계) 소재 원천기술’이 ‘2021년 출연(연) 10대 우수 연구성과’에 선정됐다.

10대 우수 연구성과는 과학기술분야 출연(연)이 2021년 수행한 주요 연구과제 중, 선정위원회의 심사기준에 따라 과학적·기술적·경제적·사회적·인프라적 큰 가치를 창출한 성과를 대상으로 주어진다. 우수성과로 선정된 단체 및 연구자에게는 과학기술정보통신부 장관상이 수여된다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 ‘전해질’을 액체가 아닌, 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다. 높아진 안전성 덕분에 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 기술이다.

하지만 전고체전지는 제조공정 및 양산화의 어려움, 높은 단가, 계면 불안정성 등 상용화까지 해결해야 할 많은 과제를 안고 있다. KERI의 성과는 이러한 전고체전지의 한계를 극복하고, 상용화에 기여할 수 있는 핵심 원천기술을 다수 개발한 것이다.

먼저, ‘전고체전지용 고체전해질 저가격 대량생산 제조기술’은 민간 기업체로부터 가장 큰 관심을 받았던 성과다. KERI의 기술은 용액형과 공침형이 있다. 용액형은 최적 합성을 가능하게 하는 첨가제를 통해 낮은 순도의 저렴한 원료(출발물질)로도 성능이 뛰어난 고체전해질을 대량생산할 수 있는 ‘특수 습식합성법’ 기술이다. 공침형은 고가의 황화리튬 사용 없이 ‘공침법(Co-precopitation method)’이라는 간단한 용액 합성(One-pot) 과정만으로 고체전해질을 저가로 대량생산하는 세계 최초의 성과다.

최근에는 고체전해질 저가 대량생산을 넘어, 전극과 멤브레인 제조 공정까지 활용될 수 있는 ‘저온 소결형 고체전해질 분말 제조 및 시트화 기술’도 주목을 받았다. 이들 기술은 각각 국내 전문기업에 이전되어 양산화가 준비되고 있다. 현재까지 기술이전 총 계약액은 15억원이다.

우수한 연구결과로 국제 저명 학술지에 논문이 다수 게재된 성과도 있다. 전고체전지의 양극과 음극이 가진 난제(리튬손실, 수지상 성장, 계면저항 등)를 극복하고, 충·방전 효율을 크게 높인 기술들이 지난해 ‘Advanced Functional Materials’, ‘Small Methods’, ‘Advanced Science’에 표지논문으로 선정돼 소개됐다. 지난해 연구원이 전고체전지와 관련해 달성한 SCIE급 국제 학술지 논문 게재 성과는 총 5편(표지논문 3편, IF>15), 특허 출원 8건에 달한다.

KERI 차세대전지연구센터 하윤철 박사는 “꿈의 배터리라고 불리는 전고체전지 핵심 소재기술 개발을 통해 전기차의 화재사고를 막고, 주행거리도 늘릴 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. KERI 차세대전지연구센터는 1993년부터 30년간 연구를 수행해 온 대한민국 리튬이차전지 개발 역사의 산실로 인정받고 있으며, 지난 7월에는 탁월한 연구수행 성과를 통해 소부장 우수 국가연구실(N-Lab)로 선정되기도 했다.