하윤철 박사 및 박철민 교수팀, 높은 반응온도에서의 황의 증기압 상승 난제 극복
한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 하윤철 박사팀과 금오공대 신소재공학부 박철민 교수팀이 전고체전지 상용화를 앞당길 수 있는 ‘고체전해질용(아지로다이트 계열) 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 있고, KERI에서도 여러 성과를 이뤄냈다.
이번에 하윤철 박사팀이 주목한 소재는 황화실리콘이다. 전고체전지용 고체전해질에 황화실리콘(SiS2)을 첨가하면 이온 전도도 및 수분 안정성(moisture stability)을 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 170만 원에 달할 정도로 비싸다.
KERI의 성과는 황화실리콘 제조를 위한 최적 공정 기술을 개발하고, 이를 전고체전지용 고체전해질에 적용할 수 있는 발판을 마련한 것이다. 연구팀은 황과 실리콘의 배치를 최적화해 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.
KERI 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.
KERI는 해당 기술에 대한 특허 출원을 준비하고 있다. 또한 이번 성과가 전고체전지 관련 기업(고체전해질 생산 및 극판/멤브레인 제조 장비 기업, 극판 전해질막 및 셀 제조업체 등)의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴하여 황화실리콘 제조 공정의 스케일업 및 상용화를 추진한다는 계획이다.
헬로티 이동재 기자 |
