한국이 또 해냈다…전기차 시장 판 바꿀 차세대 배터리 상용화 앞당긴다[과학을읽다]

표준연, 산화물계 고체전해질막 생산비용 10분의 1로 낮추는 핵심 소재 기술 개발

화재와 폭발 위험을 원천적으로 차단한 차세대 배터리인 전고체전지의 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 고체전해질막 제조 공정의 오랜 난제를 해결함과 동시에 생산 비용을 획기적으로 낮춰, 전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장의 판도를 바꿀 전환점으로 평가된다.

한국표준과학연구원(KRISS) 첨단소재측정그룹은 산화물계 전고체전지의 핵심 부품인 고체전해질막을 기존 대비 10분의 1 수준의 비용으로 대면적·고밀도로 제조할 수 있는 소재 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

산화물계 고체전해질막 핵심 소재 기술 개발 연구진. 좌측부터 KRISS 첨단소재측정그룹 백승욱 책임연구원, 김화정 박사후연구원, 최민서 학생연구원, 고려대학교 신소재공학과 박혁준 교수. KRISS 제공

현재 널리 사용되는 리튬이온전지는 인화성 액체 전해질로 인해 화재와 폭발 위험이 크다. 이에 반해 전고체전지는 불이 붙지 않는 고체전해질을 사용해 안전성이 획기적으로 향상된 차세대 전지로 주목받고 있다. 특히 산화물계 전고체전지는 독성 가스 유출 우려가 없고 기계적 강도가 높아 가장 안전한 전지 기술로 평가된다.

산화물계 전고체전지에는 주로 가넷계 고체전해질이 사용된다. 이 소재는 이온전도도와 화학적 안정성이 뛰어나지만, 1000℃ 이상의 초고온 소결 공정에서 리튬 원소가 휘발돼 대면적·고품질 전해질막 제조가 어렵다는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 사용돼 온 '모분말' 방식은 막대한 소재 낭비로 생산 단가를 크게 높이는 요인이었다.

기능성 코팅으로 소결 공정 혁신…대면적·저비용 생산 가능

KRISS가 개발한 고성능 대면적 고체전해질 공정 기술 모식도. 기존 산화물계 고체전해질의 한계로 지적돼 온 리튬 휘발에 따른 구조 붕괴와 소결성 저하, 높은 생산 비용을 해결하기 위해 연구진은 고체전해질 분말 표면에 고기능성 리튬계 화합물을 코팅해 입계를 형성한 뒤, 모분말 없이 소결하는 공정을 개발했다. 이 공정은 리튬 휘발과 구조 붕괴를 효과적으로 억제하는 동시에 모분말 사용을 제거해 제조 공정과 생산 비용을 크게 낮췄으며, 고밀도의 대면적 전해질막과 높은 이온전도도, 낮은 전기전도도를 동시에 확보하는 데 성공했다. 연구진 제공

연구진은 기능성 리튬계 화합물을 고체전해질 분말 표면에 코팅하는 기술을 개발해 이 문제를 해결했다. 코팅층은 소결 과정에서 리튬 휘발을 억제하는 동시에 필요한 리튬을 공급하고, 입자 간 결합력을 높여 전해질막의 치밀도를 극대화한다.

그 결과, 고가의 모분말 없이도 98.2% 이상의 고밀도 전해질막을 구현했으며, 이온전도도는 기존 대비 2배 이상 향상됐다. 전기전도도는 20배 이상 낮아져 전지 내부 전류 손실 위험도 크게 줄었다. 연구진은 나아가 16㎠ 규모의 대면적 고체전해질막을 수율 99.9%로 제조하는 데 성공해 대량 생산 가능성까지 입증했다.

백승욱 KRISS 첨단소재측정그룹 책임연구원은 "20년 넘게 해결되지 못했던 가넷계 고체전해질의 공정 난제를 근본적으로 해결한 성과"라며 "전고체전지 상용화를 앞당기는 결정적 계기가 될 것"이라고 말했다. 김화정 박사후연구원은 "차세대 배터리 핵심 소재의 국산화 가능성을 연 연구"라고 평가했다.

이번 연구는 박혁준 고려대학교 교수 연구팀과의 협업으로 수행됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 및 한국표준과학연구원 기본사업의 지원을 받았다.

이번 연구 성과는 "모분말 없는 소결을 가능하게 하는 Li?Al?O 시스템의 다기능성 구현(Revitalizing multifunctionality of Li-Al-O system enabling mother-powder-free sintering of garnet-type solid electrolytes)"이라는 제목으로, 재료과학 분야의 전문 국제학술지인 Materials Today에 2025년 12월 10일 온라인 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr