배터리 폭발 줄이고 수명 7배↑…국내 연구진 ‘값싼 소재’로 해결

한국화학연·충남대 공동 연구팀
배터리 수명 95→300시간

2차원 이황화몰리브덴 박막 활용하여 차세대 무음극 전고체 전지 성능 및 안정성 향상 원리 그림./한국화학연구원

국내 연구진이 저렴한 소재를 활용해 배터리 수명을 7배 이상 늘리고, 폭발 위험도 줄일 수 있는 기술을 개발했다. 배터리 내부에서 리튬이 불안정하게 자라는 현상을 막아 안전성을 높인 것으로, 향후 더 작고 오래가는 차세대 배터리 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

한국화학연구원 안기석·서동범 박사 연구팀과 충남대 박상백 교수 연구팀은 “이황화몰리브덴(MoS₂)이라는 값싼 재료를 아주 얇게 입혀 배터리의 핵심 소재인 리튬이 배터리 안에서 고르게 퍼지고 안정적으로 작동하면서 수명이 크게 늘어난 것을 확인했다”고 1일 밝혔다. 이 연구 결과는 재료과학과 나노기술 분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-MicroLetters)’에 지난달 게재됐다.

스마트폰, 노트북 등 무선 전자제품에 들어가는 리튬 이차전지는 충전할 때 리튬이 한쪽에 몰려 뾰족하게 자라기도 한다. 이 뾰족한 부분이 배터리 안쪽을 찌르면 폭발할 수도 있다. 이런 문제를 막기 위해 고체 재료를 사용하는 ‘전고체 전지’가 최근 주목받고 있다. 액체 대신 고체를 써서 더 안전한 배터리를 만드는 것이다.

여기서 한발 더 나아간 게 ‘무음극 전고체 전지’다. 첫 충전 시 리튬이 스스로 달라붙으며 음극이 생기는 방식이다. 덕분에 배터리 크기를 줄이고, 저장 용량도 늘릴 수 있다.

하지만 이 방식은 충전과 방전을 반복하면 전지 내부가 불안정해져 수명이 짧아지는 게 한계다. 그래서 지금까지는 은이나 인듐 같은 비싼 금속을 써서 이 문제를 막아 왔다. 다만 재료가 비싸고 만들기도 까다로워 상용화가 어려웠다.

화학연·충남대 연구진은 이런 고가 금속 대신 이황화몰리브덴이라는 저렴한 재료를 썼다. 리튬과 잘 반응하는 이 물질은 배터리 내부에 보호막을 만들고, 리튬이 뾰족하게 자라는 것을 막아준다.

연구진이 실제로 실험해 본 결과, 기존 방식으로 만든 전지는 약 95시간 만에 고장이 났지만, 새 기술을 적용한 전지는 300시간 넘게 멀쩡하게 작동했다. 초기 성능도 더 좋았고, 여러 번 충·방전을 반복해도 용량이 잘 유지됐다. 기존 전지 대비 초기 방전 용량은 1.18배, 수명은 7배 향상됐다.

연구진은 아직은 초기 연구 단계라며, 2032년 상용화될 수 있을 것으로 내다봤다. 연구진은 “값싼 재료로 고성능 배터리를 만드는 데 성공한 중요한 기술”이라며 “앞으로 전고체 전지 상용화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

한국화학연구원의 서동범 박사후연구원(1저자), 안기석 책임연구원(교신저자), 충남대 김도훈 석사후연구원(1저자), 박상백 교수(교신저자)./한국화학연구원

참고 자료

Nano-Micro Letters(2025), DOI: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01729-w

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