리튬이차전지 비켜라…“폭발위험 없는 전고체전지 성능 UP”

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전기硏-금오공대, 황화실리콘 최적 제조기술 개발

황화실리콘 최적 제조기술 연구결과가 게재된 국제학술지 표지.[한국전기연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국전기연구원( KERI ) 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀과 금오공대 신소재공학부 박철민 교수팀은 전고체전지 상용화를 앞당길 수 있는 ‘고체전해질용 황화실리콘( SiS2 ) 저가 제조기술’을 개발했다.

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌, 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다. 

그러나 제조공정 및 양산화의 어려움, 높은 단가 등 상용화까지 해결해야 할 많은 과제를 안고 있어 전 세계적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

연구팀이 주목한 소재는 황화실리콘이다. 전고체전지용 고체전해질에 황화실리콘( SiS2 )을 첨가하면 이온 전도도 및 수분 안정성을 향상시킬 수 있다는 것은 학계에서 널리 알려진 사실이다. 

하지만 황과 실리콘의 합성 과정에서 높은 반응온도가 필요하고, 이에 따른 황의 증기압이 너무 커지는 문제가 발생하는 등 황화실리콘의 제조를 위한 공정 난이도가 매우 높다. 

이러한 이유로 황화실리콘은 현재 가격이 20그램(g)당 약 170만원에 달할 정도로 비싸다.

이번 성과는 황화실리콘 제조를 위한 최적 공정 기술을 개발하고, 이를 전고체전지용 고체전해질에 적용할 수 있는 발판을 마련한 것이다. 

연구팀은 황과 실리콘의 배치를 최적화하여 합성 조건을 확립하고, 800도의 높은 반응온도에서도 황의 기화에 따른 증기압을 버틸 수 있는 완벽한 밀폐 환경을 구현하는 데 성공했다. 

결과물도 상용 제품의 품질과 대등했다. 

연구팀은 만들어진 황화실리콘을 고체전해질 제조에 활용했고, 2배 이상의 높은 이온 전도도 및 수분 안정성을 가지는 것을 확인했다. 

공정의 최적화로 과정은 단순화하고, 제조비 감소도 기대할 수 있는 결과다.

연구팀이 개발한 제조기술로 만든 황화실리콘.[한국전기연구원 제공]

하윤철 박사는 “그동안 황의 증기압 상승을 해결하기 위해 국내외 많은 연구진이 고가의 원료를 사용하거나, 특수 공정을 도입하는 등 어려움을 겪었는데, 우리의 성과로 고체전해질용 황화실리콘을 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 길이 열리게 될 것”이라고 전했다.

한편 연구팀은 이번 황화실리콘을 고체전해질뿐만 아니라 액체전해질 기반의 리튬이온전지 음극 활물질 분야에도 적용하여 유의미한 결과(충·방전 과정에서의 층상구조 소멸 및 회복 현상 세계최초 규명)를 얻기도 했다. 

이번 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지·연료 분야 국제학술지 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이’ 표지논문으로 선정됐다.

연구팀은 해당 기술에 대한 특허 출원을 준비하고 있다. 

또한 이번 성과가 전고체전지 관련 기업의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴하여 황화실리콘 제조 공정 스케일업( Scale-up ) 및 상용화를 추진한다는 계획이다.