극한 기온에도 초고속 충전…차세대 고체 전해질 개발

홍콩과기대, 물 머금은 결정 구조로 이온 이동성 높여

홍콩과학기술대 연구진이 극한의 온도와 초고속 충전 환경에서도 성능을 유지하는 고체 전해질을 개발했다. 사진은 연구진이 만든 배터리 모델./Chunyi Zhi

한파가 몰아치면 전기차도 얼어붙는다. 배터리 속 전해질이 영하의 기온에서 제 역할을 하지 못해 전기를 띤 이온이 이동하지 못하기 때문이다. 충전 속도는 느려지고 주행 거리는 줄어들어 불편이 커진다.

배터리의 발화 위험을 줄인 고체 전해질이 극한의 온도를 이길 기술로 발전했다. 홍콩과학기술대 연구진이 극한 기온과 초고속 충전 환경에서도 성능을 유지하는 이차전지용 고체 전해질을 구현했다고 9일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제 학술지 ‘미 국립과학원회보(PNAS)’에 게재됐다.

이차전지는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성된 충방전이 가능한 전지다. 충전 때 음극에 저장된 이온은 방전 과정에서 양극으로 이동한다. 이때 전자는 반대 방향인 양극에서 음극으로 이동하는데, 이 흐름이 전류를 만든다.

고체 전해질은 전지 내부에서 이온이 이동할 수 있도록 돕는 고체 형태의 물질이다. 기존 액체 전해질은 충격을 받아 누출되거나 폭발할 위험이 크지만 고체 전해질은 그런 문제가 없어 차세대 소재로 주목받았다. 하지만 극한 온도나 빠른 충전 상황에서는 성능이 떨어진다는 한계가 있었다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속-유기 이온 결정 구조에 물 분자를 흡착시킨 전해질을 설계했다. 쉽게 말해, 고체 전해질 내부에 미세한 길을 만들고 그 안에 물 분자를 채워 넣어 이온이 점프하듯 빠르게 이동할 수 있도록 한 것이다.

그 결과, 이온 전도도가 기존 아연 기반 고체 전해질보다 10~100배 향상됐다. 이온 전도도는 이온이 전해질을 통해 얼마나 잘 이동하는지 나타내는 값이다. 고체 전해질을 적용한 배터리는 섭씨 180도에서도 20초 만에 완전히 충전할 수 있었다. 1000번 이상의 충·방전 후에도 안정성을 유지했다.

더불어 영하 30도의 혹한부터 30도의 상온에서도 100% 방전 용량을 유지했다. 언제든 전류를 발생시킬 수 있다는 말이다. 전기차나 드론처럼 다양한 환경에서 쓰이는 기기들에 매우 적합한 특성이다.

연구진은 “이번 성과는 단순한 성능 개선을 넘어, 고체 전해질 배터리가 본격적으로 상용화될 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 크다”며 “불이 붙지 않고, 빠르게 충전되며, 극한 환경에서도 안정적인 배터리는 전기차의 주행거리 불안과 충전 불편을 크게 줄일 수 있다”고 설명했다.

참고 자료

PNAS(2025), DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2511121122

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -