[더구루=홍성일 기자] 중국 국영 자동차 기업인 '제일자동차(FAW)'가 황화물계 전고체배터리의 최대 난제로 꼽히던 초고압 '구동 압력' 문제를 해결하는 데 성공했다. 무겁고 부피를 차지하는 외부 가압 장치를 사용하지 않고도 전고체 배터리셀의 구조적 안정성을 유지할 수 있어, 양산 경쟁력을 대폭 끌어올렸다는 평가를 받고 있다.

7일 중국 IT 전문 매체 IT즈자(IT之家)에 따르면 FAW·중국 동부기술연구소(Eastern Institute of Technology, EIT) 공동 연구팀은 최근 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 '이온-탄성중합체 계면을 통한 저압·고안정성 전고체배터리 구현(Ion-Elastomer Interface Enables Low-Pressure, High-Stability Solid-State Batteries)'라는 논문을 발표했다. 해당 논문에는 독자 개발한 복합 소재를 활용해, 황화물계 전고체배터리의 구동 압력을 낮춘 획기적으로 낮춘 연구 결과가 담겼다.

전고체배터리는 양극재와 전해질이 모두 고체 분말로 이뤄져 있다. 이 때문에 별도의 조치를 취하지 않으면, 입자 간 미세한 틈이 생기며 리튬 이온이 원활히 이동하지 못하는 문제가 발생한다. 또한 충방전이 반복될 때마다 양극재에 부피변화가 나타나 전해질과 분리되는 '박리 현상'도 일어난다.

전고체배터리를 정상작동시키기 위해서는 입자 사이가 벌어지지 않도록 외부에서 엄청난 압력을 가해하거나 고체 입자 사이에 탄성을 지닌 고무·플라스틱 계통의 접착제(바인더)를 섞는 방식을 사용했다. 그러나 두 방식 모두 전고체 배터리 상용화의 중대한 걸림돌로 작용했다. 외부 압력을 가하려면 배터리 팩에 별도의 가압 장치를 부착해야 해 구조가 복잡해지고 에너지 밀도가 떨어지는 문제가 발생했다. 바인더 방식의 경우 탄성 확보를 위해 고무나 플라스틱을 사용하지만, 이들 소재가 전기가 통하지 않는 절연체여서 리튬 이온의 이동을 가로막는 역효과를 낳았다.

공동 연구팀은 기존 고무계 접착제에 리튬 이온을 잘 흘려보내는 물질을 섞어 'SIBS-LiG3'라는 복합 소재를 만들었다. 해당 소재는 고무 특유의 유연성과 기계적 완충력을 유지하면서도, 높은 이온 전도도를 보유했다.

해당 물질을 적용한 결과 연구팀이 시험용으로 제작한 전고체배터리는 5메가파스칼(MPa) 환경에서 정상작동했으며, 700회 이상의 충방전 사이클을 거친 후에도 안정적인 성능을 유지했다. 통상적으로 황화물계 전고체배터리가 외부 압력만으로 정상 구동하려면 약 20MPa에 달하는 초고압이 필요하다.

5MPa은 전기차용 배터리 팩에 적용할 수 있는 사실상의 마지노선으로, 에너지 밀도 손실을 최소화하면서 상용화를 시도할 수 있는 수준이다. 향후 별도의 가압 기구 없이 완성차에 완전 탑재하려면 1MPa 이하로 낮춰야 하며, 스마트폰 등 IT 기기 탑재를 위해서는 대기압 수준인 0.1MPa 이하에서도 구동돼야 한다.

연구팀은 향후 구동 압력을 1MPa 이하로 추가 경감하는 한편, 연구용 셀에 쓰인 고가의 인듐 음극재를 흑연이나 실리콘 계열로 대체하는 상용화 후속 연구를 이어갈 계획이다.

FAW 관계자는 "황화물계 전고체배터리의 대량 양산을 가로막던 핵심 기술 병목을 해결할 돌파구를 마련했다"며 "이번 SIBS-LiG3 소재 개발은 전고체배터리 산업화 속도를 앞당기는 결정적 이정표가 될 것"이라고 말했다.