김 호 성_ 한국생산기술연구원 서남지역본부 수석연구원/본부장
장 덕 례_ 한국생산기술연구원 광에너지융합그룹 수석연구원
임 진 섭_ 한국생산기술연구원 광에너지융합그룹 수석연구원

Ⅰ. 서 론

여러 종류의 이차전지 중, 리튬이차전지는 1990년대 이후 모바일 IT 혁명을 가져온 기술로서, 최근에는 환경문제 극복 및 한정된 에너지자원의 효율적 사용을 위한 전기자동차(Electric Vehicle, EV) 및 대용량 전력저장장치(Energy Storage System, ESS)의 핵심 솔루션으로 급부상하고 있다. 전기자동차 (EV)는 자동차에 탑재되는 이차전지에 저장된 전기에너지를 이용하여 주행함으로써, 화석연료의 사용량을 줄이고, 온실가스(CO2) 배출을 저감시키는 친환경 기술로 자리매김을 하고 있다. 특히, 리튬이차전지는 전기자동차의 성능을 좌우하는 핵심 부품으로서 자동차의 제한된 공간에 탑재하기 위해 에너지 밀도가 높은 이차전지 개발과 사람이 에너지 저장장치의 근접 거리에 위치하기 때문에 이차전지의 발화나 폭발 등 사고가 발생하지 않도록 안전성을 확보하는 기술이 절대적으로 필요하다. 따라서 기존 리튬이차전지의 한계로 지적되던 안전성에 대한 불안감, 에너지 밀도 상승의 한계, 그리고 높은 원가 부담을 혁신하기 위한 다양한 전지 솔루션들이 개발 중이다. 현재의 리튬이차전지(LiB)를 대체할 차세대 혁신 이차전지의 후보로서 금속공기전지(Li-Air), 리튬황 전지(Li-S), 전고체 리튬이차전지, 나트륨 이온전지(SIB) 등이 주로 개발되고 있으며, 이 중 전고체 리튬이차전지는 지난 10여 년간 기술 개발 속도가 비교적 빠르고 리튬이차전지의 고질적인 불안 요소인 안전성을 해결해 줄 수 있다는 기대감까지 더해져 가장 현실적인 대안이 되고 있다. 안전성 이외에 전고체 리튬이차전지의 또 다른 장점은 하나의 case 속에 복수의 단전지를 직렬 접속으로 장착할 수 있기 때문에 제어 시스템을 간소화 할 수 있고 에너지 밀도가 높은 배터리 Pack을 만들 수 있다는 점이다.
전고체 리튬이차전지를 실용화하기 위해서는 높은 이온전도성을 가지는 고체전해질의 개발이 필수적이다. 기존 리튬이차전지의 안전성 문제는 1차적으로 리튬이차전지가 발화되기 쉬운 유기계 액체전해질을 사용하는데 기인하며 이를 해결하기 위해 액체전해질을 불에 타지 않는 무기 고체전해질로 대체하기 위한 노력이 있어 왔으나 고체전해질의 낮은 이온전도도가 걸림돌로 남아 있다. 고체전해질 소재는 주로 무기 고체전해질, 유기(고분자) 고체전해질로 분류되며, 전고체 리튬이차전지의 설계 및 응용에 따라 단독 조성 또는 유무기 하이브리드(복합화)하여 사용하는 방안들이 연구되고 있다. 무기 고체전해질은 고분자 고체전해질과는 달리 유연성 측면에서는 불리하지만, 본질적으로 불연성이기 때문에 안전성면에서 매우 우수하고 리튬이온(Li+)만이 전도하는 단이온전도(Single-ionic conduction) 특성을 나타낸다. 무기 고체전해질은 결정재료와 비정질(Glass)로 분류되며, 대표적인 무기 고체전해질의 이온전도도는 아래 그림 2와 같고, 무기 고체전해질의 total 이온전도도(벌크 + 계면)는 약 10-6S/cm ~ 10-3S/cm 범위의 이온전도도를 가지며, 산화물 결정재료를 보면 Garnet 형 Li7La3Zr2O12(LLZO), NASICON 형 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP), 페로스카이트 형 La0.51Li0.34TiO2.94(LLTO) 등이 있으며, 최대 약 10-3S/cm 정도의 이온전도도를 가지고 있다.
산화물계 이온 전도체는 황화물계 이온 전도체보다 대기 중에서의 안정성이 뛰어나며, 취급의 용이성 면에서 볼 때 상대적으로 경쟁력이 우수할 것으로 예상되므로 향후에도 연구 개발이 계속될 것으로 생각된다. 따라서 본 절에서는 전고체 리튬이차전지의 핵심 소재인 산화물 고체 전해질의 기술개발 동향에 대해 살펴보고자 한다.

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