화학硏, 전사 인쇄로 15㎛ 초박막 고체전해질 대면적 구현

▲ 화학연구원 연구팀이 개발한 산화물 하이브리드 고체전해질 및완성된 파우치셀

국내 연구진이 전고체전지의 에너지밀도와 제조 수율을 높일 수 있는 초박막 고체전해질 전사 인쇄 기술을 개발했다. 전극에 전해질을 직접 코팅할 때 발생하는 전극 변형과 막 두께 불균일 문제를 해결하고, 120㎠ 대면적에서 두께 15㎛의 균일한 전해질 막을 구현해 차세대 전고체전지의 대면적 제조 기반을 마련했다.

한국화학연구원(원장 신석민)은 강영구 책임연구원과 박명수 선임연구원 연구팀이 가닛계 산화물 고체전해질 LLZTO를 활용해 별도 기판에서 형성한 고체전해질 막을 전극으로 옮기는 전사 인쇄 기술을 개발했다고 밝혔다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험을 낮추고 에너지밀도를 높일 수 있는 차세대 배터리다. 특히 높은 에너지밀도를 확보하려면 고체전해질을 20㎛ 이하로 얇게 만들면서 넓은 면적에서도 균일한 두께를 유지해야 한다.

기존에 고체전해질을 별도 필름으로 제조하는 방식은 막이 찢어지는 것을 방지하기 위해 70~120㎛ 수준의 두께가 필요했다. 전극에 슬러리를 직접 코팅하는 방식은 액체 상태의 슬러리가 다공성 전극 내부로 침투하면서 전극을 변형시키거나 코팅 두께를 불균일하게 만드는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 고체전해질 슬러리를 PET-PDMS 기판에 코팅한 뒤 건조하고, 완성된 막을 롤러로 압착해 전극으로 옮기는 전사 인쇄 공정을 적용했다. 스티커를 붙이듯 전해질 막을 전극에 전사하는 방식으로, 전극에 직접 코팅하지 않고도 얇고 균일한 전해질 층을 형성하도록 설계했다.

특히 코팅과 전사에 적합한 소재 조합을 찾는 데 한센 용해도 지수(HSP)를 활용했다. 코팅 단계에서는 슬러리가 기판에 균일하게 퍼지도록 소재 간 친화도가 높은 조합을 선택하고, 전사 단계에서는 건조된 막이 기판에서 쉽게 분리되도록 친화도가 낮은 조합을 선정했다. 반복적인 시행착오에 의존하지 않고 소재 간 상호작용을 정량적으로 평가해 공정 조건을 설계할 수 있는 원리를 제시했다는 점이 특징이다.

그 결과 연구팀은 가로 6㎝, 세로 20㎝의 총 120㎠ 면적에서 평균 두께 15㎛, 두께 편차 약 1㎛의 균일한 고체전해질 막을 구현했다. 반면 전극에 직접 코팅한 경우에는 6×11㎝ 면적에서도 막 두께가 10~25㎛로 불균일하게 나타났다.

전해질의 이온 전달 성능도 개선됐다. 25℃에서 전사 인쇄로 제조한 하이브리드 고체전해질의 리튬이온 전도도는 2.83×10⁻⁴ S/㎝로, 동일한 고분자 전해질을 채운 폴리에틸렌(PE) 분리막 비교군의 1.69×10⁻⁴ S/㎝보다 약 50% 높았다. 리튬이온 전달수도 0.69로 비교군의 0.36보다 약 2배 높았다. 이는 LLZTO가 풍부한 전해질층이 리튬이온의 이동 통로 역할을 했기 때문이다.

전지 수명 성능에서도 차이가 확인됐다. 100회 충·방전 후 용량 유지율은 전사 인쇄 전지가 83.6%로, 전극 직접 코팅 전지의 36.1%를 크게 웃돌았다. 고온 안전성 평가에서도 전사 인쇄 전지는 안정적인 전압을 유지했다. 파우치형 전지를 150℃에서 2시간 30분 동안 시험한 결과, 전사 인쇄 전지는 전압이 안정적으로 유지된 반면 기존 PE 분리막 기반 전지는 분리막 수축으로 내부 단락이 발생해 약 10분 만에 전압이 급격히 떨어졌다.

연구팀은 향후 소재별 HSP와 실제 코팅·접착·전사 결과를 데이터베이스로 축적해 인공지능(AI)으로 공정에 적합한 소재 조합을 사전에 선별하는 연구를 추진할 계획이다. 이를 통해 소재 탐색과 공정 최적화에 필요한 시행착오를 줄이고, 대면적 박막 제조의 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

강영구 화학연 책임연구원은 “전사 인쇄 기술이 전극 직접 코팅 과정에서 발생하는 결함을 줄여 대면적 생산 시 불량 감소와 생산수율 향상에 기여할 수 있다”고 밝혔다. 신석민 화학연 원장은 “HSP 기반 소재 예측 기술을 AI와 접목해 보호막과 기능성 코팅층 등 다양한 이차전지용 박막 제조로 활용 범위를 넓힐 수 있을 것”으로 기대했다.