▲고체전해질 LGPS의 결정구조

고체전해질이 리튬전지 폭발사고의 예방 대안으로 주목받고 있다. 고체전해질은 기존 전해질이 액체 상태와 달리 고체다. 리튬 전지에서 리튬 이온이 오가며 전력을 생산하기 때문에 효율이 떨어졌지만 최근 성능을 대폭 개선하며 상용화를 목전에 두고 있다.

23일 업계에 따르면 삼성SDI은 물론 LG화학, 한국과학기술연구원(KIST), 전자부품연구원(KETI) 등이 독자적으로 고체전해질 전지를 연구하고 있다. 그간 고체전해질 전지 연구개발 기업은 일본의 소니, 한국의 삼성SDI 정도다. 삼성SDI는 한국 전지 전문 전시인 2014 인터배터리에 고체전해질 전지를 들고 나온 이후 그렇다할 성과를 내고 있지 못하다. 삼성그룹 계열사 가운데에서 삼성요코하마연구소에서 Li₂S-P₂S5글래스 세라믹을 개발하고자 노력하고 있다.

그 사이 LG화학이 고체전해질 연구에 뛰어들었다. LG화학은 협력업체인 엔켐과 손을 잡고 고체전해질 전지 개발에 박차를 가하고 있다. 전자부품연구원 차세대전지연구센터도 고체전해질 연구에 상당한 진척을 보이고 있는 것으로 알려졌다.

특히 KETI는 이온이 cm당 10의 -3승 S를 이동하는 높은 이온전도도와 부도체 수준의 낮은 전기전도도를 보이는 고체전해질을 개발 중이다. 고체전지 시스템도 획기적으로 개선하고 있다. 기존 리튬이온전지는 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 교차하는 모습이었지만 KETI의 고체전해질 전지는 집전체에 양극과 음극이 붙었고 음극쪽을 집전체가 감싸고 있는 바이폴라 전극을 사용하고 있다. 이 바이폴라진지가 횡으로 연결된 구조가 KETI의 고체전해질 전지다.

고체전해질 전지가 실현되면 기존 리튬이온전지의 성능의 획기적으로 개선된다. 우선 고체전해질에 리튬이 확산되며 출력이 높아진다. 또 리튬이온전지 사용 온도도 보다 넓어진다. 기존 리튬이온전지는 -40℃가 가장 낮은 온도지만 고체전해질 전지는 -100℃ 온도에서도 사용할 수 있다. 100℃고온에서도 사용가능하다. 기존 리튬이온전지는 이 정도 온도에선 분해되다.

고체전해질의 또한가지 특징은 5V급 높은 전압의 지닌 전지를 구현할 수 있다는 점이다. 현재 리튬이온전지는 3~4V가 최대다. 일본은 고체전해질 전지를 실현하기 위해 LGPS라는 고체전해질을 개발했다. 가야마 동경공업대 박사가 네이쳐 매터리얼즈에 2011년 발표한 이 물질은 Li10GeP12S의 약자다.

일본은 고체전해질 전지의 연구에서 선도적인 위치를 차지하고 있다. 동경공업대는 LGPS와 Thio-LISCON이라는 고체전해질을 처음 개발했으며 황화물계 고체전해질을 개발해 에너지밀도도 함께 높이고 있다. 리튬티타늄산화물(LTO)과 리튬망간산화물를 이용하는 단결정 전고체전지도 개발했다. 

도요타 자동차와 Thio-LISICON을 적용한 고체전해질 전지를 개발 중이다. 토요타 자동차는 동경공업대와 LGPS를 공동개발하는 것 외에 오사카부립대와 황화물계 고체전해질전지, 하기시후지연구소와 산화물계 고체전해질 전지를 개발하고 고체전해질 계면을 제어하는 연구를 수행 중이다. 특히 바이폴라 전극을 적용한 적층형 고전압셀을 개발 중이다.

무라타 제작소는 그린 시트를 적용한 고체전해질 전지와 무기계 고체전해질을 개발했고 물질재료연구기관 NIMS는 양극재를 코팅해 계면 공간전하층을 제어하는 연구로 유명하다. LG화학 관계자는 "한국에서 고체전해질 전지 연구가 전지 제조기업 전반으로 확산되고 있다"며 "안전성을 강조하는 전기차 전지에 고체전해질이 유망한 만큼 개발에 박차를 가할 것"이라고 말했다. 

[에너지경제신문 안희민 기자]