[3분 순삭 유튜브] 잘라도 끄떡없는 배터리? 전고체 전지의 핵심 소재! 고체 전해질 파헤치기

전 세계적으로 전고체 전지 기술 개발 경쟁이 뜨거운 만큼 포스코그룹도 전고체 전지의 원료와 핵심 소재를 활발하게 연구 개발해 오고 있는데요. 실제 연구가 이루어지는 곳이 바로 포항 포스코홀딩스 미래기술연구원입니다. 그래서! 최현정 아나운서가 직접 포항으로 찾아가 전고체 전지 전문가인 권오민 수석연구원을 만나 뵙고 알면 알수록 흥미로운 전고체 전지 이야기를 나눴는데요. 포스코그룹이 준비하는 전고체 전지 핵심 소재 사업이 궁금하셨던 분들은 주목해 주세요~ 지금 바로 시작합니다!

현재 전기차에 가장 많이 사용되는 이차전지 종류가 무엇인지 아시나요? 바로 리튬이온 전지입니다. 리튬이온 전지를 이루는 구성요소 중 양극과 음극 사이로 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 전해질은 액체로 이루어져 있는데요. 액체 전해질은 가연성 유기용매를 포함하고 있어 고온 환경이나 외부 충격 상황에서 화재나 폭발 위험이 크다는 문제가 있습니다.

이때, 분리막은 양극과 음극의 직접적인 접촉을 막는 방패막이 역할을 하는데, 리튬이온 전지 분리막의 경우 우리가 흔히 아는 비닐봉지의 주성분인 폴리머(Polymer)로 이루어져 있죠. 실제 비닐봉지에 열을 가하면 수축하면서 소멸하듯, 리튬이온 전지의 분리막 또한 열을 받으면 손상되고, 그렇게 되면 양극과 음극의 단락*이 발생하게 됩니다.

*단락 : 전기 회로의 두 점 사이의 절연이 잘되지 않아 두 점 사이가 접속되는 현상

전고체 전지는 기존 리튬이온 전지에서 사용하는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 타입의 전지입니다. 강성이 낮은 폴리머(Polymer) 성질의 리튬이온 전지의 분리막과는 달리 분리막이 세라믹(Ceramics)으로 이루어져 있어 강성이 높죠. 그뿐만 아니라 휘발성이 없고 발화점이 높으므로 열을 받더라도 형상을 잘 유지해 화재로부터 안전합니다.

안전성이 향상되면 배터리에 들어가는 외장 케이스나 냉각장치 등의 열 관리 시스템을 단순화할 수 있어 배터리 팩(Pack) 단위에서 보다 향상된 에너지 밀도를 구현할 수 있는데요. 에너지 밀도가 향상되면 전기차 한 번 충전 시 주행가능 거리를 크게 늘릴 수 있습니다. 또한 리튬이온 전지에서는 위험성이 높아 사용할 수 없었던 리튬메탈 음극, 실리콘 음극, 실버/카본 나노 복합 음극체 등의 소재를 적용할 가능성도 높아져 기존 흑연 음극재 대비 에너지 밀도가 10배 가까이 늘어날 것으로 기대합니다. 내연기관 차에서 전기차로의 완전한 전환에 대응할 차세대 배터리로 전고체 전지가 떠오르는 이유, 이제 잘 아시겠죠?

설명만으로는 이해하기 어려운 분들을 위해 권오민 수석연구원이 직접 포스코그룹에서 생산하는 전고체 전지 샘플을 가져와 성능 테스트를 진행했는데요. 결과를 만나 보기 전에! 먼저 포스코그룹의 전고체 전지 스펙을 하나하나 자세히 뜯어 볼까요?

언뜻 보기에 얇은 종이 조각처럼 보이는 전지에 양극과 음극을 연결해 불이 들어오게 한 다음, 가위로 전지 면을 절단해 봤는데요. 과연 잘라도 불은 그대로 들어올까요?

전지를 반으로 잘라도 불빛이 꺼지지 않는 마법~ 이 놀라운 비결은 바로 전고체 전지를 이루고 있는 고체 전해질이 그 자체로도 분리막 역할을 하므로 강성이 높아 외부 충격 요인에도 멀쩡한 상태를 유지할 수 있기 때문인데요. 만약 전지 내부가 액체 전해질로 채워져 있었다면, 분리막이 손상돼 전해질이 누액·산화되고, 결국 전지는 구동되지 않아 제 역할을 하지 못했겠죠! 전고체 전지, 차세대 배터리 대표주자로 인정합니다!

그렇다면 이런 전고체 전지의 핵심 소재인 고체 전해질의 종류에는 어떤 게 있을까요? 전고체 전지에 쓰이는 고체 전해질은 황화물계, 고분자계, 산화물계 세 가지로 나뉘는데요. 이중 황화물계 고체 전해질은 상대적으로 부드러운 성질로, 전극과 전해질 간의 계면을 넓게 형성해 리튬 이온 전도도가 높아 전기차용으로 상용화 가능성이 가장 높습니다. 그러므로 전 세계 많은 기업이 가장 눈여겨보는 소재죠.

고체 전해질을 만들려면 황화리튬, 오황화인, 염화리튬 세 가지 핵심 원료가 필요합니다. 이 세 가지 원료를 균일하게 혼합한 다음, 열처리를 통해 아지로다이트(Argyrodite, 은, 게르마늄, 황이 결합된 희귀 광물)를 합성하는데요. 이때 중요한 건 고체 전해질의 입자 크기를 적절하게 형성해야 한다는 겁니다. 분쇄*와 해쇄** 공정을 거쳐 입자 크기를 조절하면 고체 전해질이 완성됩니다.

*분쇄 : 단단한 물체를 가루처럼 잘게 부스러뜨림

**해쇄 : 뭉쳐진 입자들을 원래의 입자들로 분리해 주는 작업

포스코그룹도 전고체 전지 시장을 선점하고자 황화물계 고체 전해질 사업에 집중하고 있다는 사실 아셨나요? 먼저 포스코홀딩스는 고이온 전도 소재나 수분 안정형 고체 전해질의 조성 기술 개발에 한창입니다. 시제품 내부 테스트 결과, 리튬이온 전지와 동등한 수준의 전지 성능을 구현할 수 있다는 걸 확인했다고 해요.

2022년 2월에는 디스플레이 소재·부품 전문 기업인 ㈜정관에 지분 40%를 투자해 포스코JK솔리드솔루션을 합작 설립하고, 연간 24톤의 황화물계 고체 전해질을 양산할 수 있는 규모의 생산 공장을 준공했는데요. 최근에는 신규 공정 기술을 적용하는 데 성공해 생산량을 7200톤으로 늘리고자 단계적인 규모 확장을 준비하고 있으며, 다양한 고객사를 대상으로 전고체 전지 제품 테스트를 진행하고 있다고요!

포스코그룹은 국내에서 유일하게 염수리튬, 광석리튬, 수산화리튬, 탄산리튬을 생산하고 있는 기업입니다. 그 외에도 고부가 리튬 화합물에 대한 연구 개발도 활발하게 진행 중인데요. 고체 전해질을 생산하려면 필수적으로 황화리튬, 염화리튬 등의 리튬 화합물 확보가 필요한 만큼, 리튬 생산 인프라를 보유한 포스코그룹이 황화물계 고체 전해질 사업 분야에서 상당한 경쟁력을 갖췄다고 할 수 있겠네요!

▼포스코그룹의 전고체 전지 성능 풀 영상으로 확인하기