설폰계 용매와 알칼리 금속염이 이루는 공결정으로 60℃ 이상에서도 고체 상태를 지키고, 녹여 붓는 용융 캐스팅으로전극과의 계면 저항까지 낮춘 난연성 결정성 유기 고체전해질.
발명의 배경과 필요성
전기차와 에너지저장장치가 빠르게 늘면서 배터리의 안전성은 성능만큼 중요한 경쟁 요소가 됐다. 지금의 리튬이온 전지는 불에 잘 타는 유기 액체 전해질을 쓰기 때문에, 외부 충격이나 과열로 누액·발화가 일어날 위험을 안고 있다. 이를 근본적으로 줄일 방법으로 꼽히는 것이 전해질을 고체로 바꾼 전고체 전지다. 시장 조사기관들은 세계 전고체 배터리 시장이 2032년까지 연평균 30%대 후반의 성장세를 보일 것으로 전망하며, 국내 배터리 3사도 2027~2030년 상용화를 목표로 파일럿 라인과 개발에 속도를 내고 있다.
하지만 고체 전해질은 아직 넘어야 할 과제가 많다. 지금까지 제시된 황화물계·산화물계·고분자계 고체전해질은 이온이 잘 움직이지 못하거나, 견딜 수 있는 전압 범위가 좁거나, 전극 표면에 잘 달라붙지 않는 문제를 안고 있다. 특히 고체끼리는 액체처럼 틈새로 스며들지 못해 전극 입자와의 접촉면이 부족해지고, 이 계면 저항이 전지 성능을 떨어뜨리는 주된 원인이 된다.
대안으로 유기 분자로 만든 유기계 고체전해질이 제안됐지만, 대표 소재인 숙시노니트릴 계열은 녹는점이 50℃ 이하에 그친다. 배터리는 작동 중 내부 온도가 60℃ 가까이 오르기 때문에, 이 경우 전해질이 녹아 고체로서의 장점을 잃을 수 있다.
그래서 배터리가 작동하는 온도에서는 단단한 고체를 유지하면서도 이온은 잘 통하고, 전극의 미세한 틈까지 빈틈없이 채워 계면 저항을 줄이며, 불에도 강한 새로운 고체전해질이 필요했다.
기술 원리 및 구현 방법
본 발명의 전해질은 양초나 초콜릿에 비유할 수 있다. 녹이면 액체가 되어 틀의 구석구석까지 흘러 들어가고, 식으면 그 모양 그대로 단단하게 굳는다. 이 성질을 이용해 전해질을 녹여 전극에 붓고 다시 굳혀 고체전지를 만든다.
재료는 두 가지다. 하나는 이온이 움직이는 무대가 되는 설폰계 용매로, 대표적으로 디메틸 설폰을 쓴다. 디메틸 설폰은 값싸고 무해하며 높은 전압에서도 잘 분해되지 않는다. 다른 하나는 리튬이나 나트륨 이온을 공급하는 비스(플루오로술포닐)이미드 알칼리 금속염이다. 두 물질을 섞어 가열하면 각각보다 낮은 온도에서 함께 녹고, 식으면 분자 모양이 닮은 두 물질이 한 결정 안에 규칙적으로 짜여 들어간 ‘공결정’을 이룬다. 이 결정성 유기 전해질은 규칙적인 구조 덕분에 고체이면서도 이온이 잘 이동한다.
핵심은 녹는점을 정교하게 설계한 데 있다. 금속염과 용매의 몰비를 1:9~4:6 범위로 조절해 녹는점을 50~170℃ 사이에 맞춘다. 아래쪽 한계는 배터리 작동 상한 온도(60℃)보다 높게 잡아 작동 중에도 고체를 유지하게 하고, 위쪽 한계는 전극 속 고분자 접착제(바인더)가 녹는 온도(170℃)보다 낮게 잡아 전극을 손상하지 않고 녹여 부을 수 있게 한 것이다. 실제로 리튬 전지용 조성의 녹는점은 65℃로, 비교 전해질(58℃)보다 높았다.
이렇게 만든 전해질을 녹여 양극 위에 부으면, 액체 상태의 전해질이 활물질 입자 사이의 미세한 틈까지 스며든다. 이후 상온으로 식히면 전해질이 입자를 감싼 채 다시 고체로 굳는다. 고체끼리 눌러 붙이는 방식과 달리 전극과 전해질이 처음부터 빈틈없이 맞물리므로 계면 저항이 크게 줄어든다. 여기에 고분자나 불소계 첨가제를 소량(0.5~5%) 넣으면 금속 전극과의 계면 저항이 더 낮아져, 리튬 금속과의 계면 저항이 비교 전해질의 절반 수준에 그쳤다.
이 전해질은 금속염만 바꾸면 리튬 전지와 나트륨 전지에 모두 쓸 수 있다. 나트륨 조성은 5~60℃ 범위에서 기존 산화물계·고분자계 고체전해질보다 높은 이온전도도를 보였다.
기술의 장점 및 기대 효과
기술의 장점 가장 큰 강점은 뜨거운 조건에서도 안정적으로 오래 버틴다는 점이다. 내부 온도가 60℃ 가까이 오르는 45℃ 운전 조건에서 이 전해질을 쓴 리튬 금속·니켈계 양극 전지는 150회 충방전 동안 99.8% 이상의 쿨롱 효율을 유지했지만, 녹는점이 60℃보다 낮은 비교 전해질은 90회 무렵 용량과 효율이 급격히 떨어졌다. 나트륨 전지에서도 200회 충방전 후 용량 유지율이 상온에서 91.1%로 기존 액체 전해질(60.3%)을 크게 앞섰고, 60℃에서도 50.3%로 액체 전해질(17.2%)의 3배 가까이 됐다. 높은 전압에서의 산화 안정성도 기존 카보네이트계 액체 전해질보다 높았고, 토치 불꽃을 직접 대도 불이 붙지 않았다.
이는 기존 고체전해질과 접근 방식이 다르다. 기존 소재는 녹지 않는 고체를 전극에 눌러 붙이거나, 녹는점이 낮아 작동 중 녹아 버리는 한계가 있었다. 본 기술은 녹는점을 작동 온도와 전극 공정 온도 사이에 맞춰, 쓸 때는 고체로, 만들 때는 액체처럼 다룰 수 있게 했다. 특허는 결정성 유기 전해질을 용융 캐스팅에 적용해 실제 전지 특성까지 분석한 사례가 기존에 보고된 바 없다고 밝힌다. 저렴하고 무해한 디메틸 설폰을 주원료로 쓰고, 기존 액체 전해질 주입과 비슷한 방식으로 공정을 구성할 수 있다는 점도 강점이다.
활용방안 고온 환경에서 운용되는 차량용 배터리와 에너지저장장치, 리튬 금속·나트륨 금속을 쓰는 차세대 고체전지, 산업용 고온 전원장치가 대표적인 활용처다. 특히 리튬보다 자원이 풍부한 나트륨 전지에도 같은 원리를 적용할 수 있어, 원가가 중요한 대용량 에너지저장장치 분야와도 잘 맞는다. 고체전해질 사업을 준비하는 소재 기업이나 전고체 전지 공정을 개발하는 배터리 기업이 도입을 검토할 만하며, 같은 기술이 미국에서도 특허로 등록되어 있다.
불에 잘 타지 않는 고체전해질을 녹여 붓는 간단한 공정으로 전극과 밀착시키면, 고체전지 상용화의 가장 큰 걸림돌인 계면 문제와 제조 난이도를 함께 낮출 수 있다. 이는 배터리 화재 위험과 냉각 부담을 줄여 전기차와 에너지저장장치의 안전성을 높이고, 나트륨 전지 확산을 통해 리튬 의존도를 낮추는 데에도 기여할 것으로 기대된다.
특허매물 IBL-26-2125
발명자 대구경북과학기술원 에너지공학과 이호춘 교수, 강석범, 양창의
