한국기초과학지원연구원(KBSI) 소재분석연구부 김해진 박사팀은 한국화학연구원, 성균관대학교, 전남대학교, 인하대학교 연구팀과의 5년간 공동연구를 통해 안전하고 자유변형이 가능한 전고체 이차전지를 개발했다./ⓒKBSI

[ATN뉴스=이기종 기자] 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 김해진 박사팀이 한국화학연구원, 성균관대학교, 전남대학교, 인하대학교 연구팀과의 5년간 공동연구를 통해 안전하고 자유변형이 가능한 전고체 이차전지를 개발했다고 13일 밝혔다.

전고체(All-Solid-State) 이차전지는 기존 이차전지에 사용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체해 안전성 측면에서 새로운 가능성을 제시한 차세대 배터리이다.

전고체 이차전지와 관련한 이번 공동연구는 KBSI가 연구과제를 총괄하며 양극 소재 개발 및 전고체 이차전지 조립을 담당했고 한국화학연구원(김동욱 박사)과 인하대학교(육지호 교수)는 고체 고분자 전해질 소재를 개발했다.

또 성균관대학교(박호석·손성욱 교수)와 전남대학교(전영시 교수)는 음극 소재 개발, 유연 집전체 개발 등을 담당했다.

국가과학기술연구회(NST)의 창의형 융합연구사업으로 진행된 이번 연구는 지난 2015년부터 5년 동안 연구를 수행했고 1단계 첫 3년은 소재 개발을 포함한 핵심요소기술을 확보했고 이후 2단계 2년은 기업 참여 형식으로 과제를 진행하며 전고체 이차전지 제작 및 실용화를 위한 핵심기술을 연구했다.

이번 공동 연구팀이 개발한 전고체 이차전지는 고체 전해질을 사용했기 때문에 기존의 액체 전해질 이차전지에서 발생하는 폭발 가능성 자체가 원천 차단되어 안전하다.

또 1mm 이하 두께로 얇게 제작된 전지는 구기거나 자르는 등 극한의 변형에도 정상적으로 작동했고 이러한 자유변형이 가능한 특성 때문에 웨어러블 전자기기 디자인의 자유도를 높였다.

이어 성능 확인을 위해 제작된 100mAh 용량의 전고체 이차전지는 500회 충·방전, 굽힘 테스트 1,000회 진행 등에도 90%의 용량을 유지했다.

이후 리튬이온을 전극 내부까지 원활히 이동시킬 수 있는 복합 전극 기술과 계면저항을 최소화할 수 있는 셀 조립기술을 개발했다.

이 과정에서 이를 넓은 면적에 적용하기 위한 파우치 형태의 풀셀(Full Cell) 전고체 이차전지 제조기술 및 다수의 단일 셀들을 하나의 셀스택 안에서 직렬 혹은 병렬로 연결하는 적층기술을 확보했다.

5년간 연구결과에 의하면 기존의 전고체 이차전지 기술과 비교해 넓은 면적의 단일 셀들을 쌓았음에도 전지의 자유변형이 가능하다는 특징이며 이러한 대면적 적층기술은 대용량 및 고전압 구현을 통한 고성능 전고체 이차전지 개발에 필수적이라고 볼 수 있다.

KBSI 김해진 책임연구원은 “기존 이차전지의 폭발 및 화재 사고는 액체 전해질로부터 기인하는데 국내 연구진의 융합연구를 통해 안전성이 담보된 차세대 자유변형 전고체 이차전지 제조 기술을 확보했다”면서 “이 기술은 향후 10년 이내에 성능 한계에 도달할 기존 기술을 대체할 수 있고 웨어러블 전자기기와 드론, 전기자동차에 활용되는 중대형 이차전지 모두에 적용 가능해 미래 이차전지 산업의 게임체인저 역할을 할 것”이라고 말했다.

에이티엔뉴스 이기종 기자  dair0411@gmail.com

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