화재 위험 없는 전고체전지 상용화에 '한걸음'…이온 이동 속도 77배 '업'

생기원, 유독가스 40% 줄이고 100회 충·방전도 안정…상용화 가능성 입증

김태효 수석연구원(오른쪽)과 배진영 인턴(왼쪽)이 개발한 전해질을 적용한 전고체 전지 셀을 들고 있다. 생기원 제공

국내 연구팀이 전고체 배터리의 핵심 소재인 고체전해질에 원소 세 가지를 조합해 리튬이온 이동 속도를 기존보다 77배 높이고 습기에 노출될 때 나오는 유독가스도 40% 줄이는 데 성공했다. 소재 개발부터 실험실 수준의 배터리 작동 검증까지 마쳐 전고체 배터리 상용화에 한 발 더 다가선 성과로 평가된다.

한국생산기술연구원(생기원)은 김태효 저탄소에너지그룹 수석연구원팀이 전고체 배터리용 황화물계 고체전해질의 성능과 안정성을 동시에 높인 신소재를 개발했다고 15일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '케미칼 엔지니어링 저널'에 지난 3월 1일 실렸다.

고체전해질은 전고체 배터리 안에서 양극과 음극 사이를 오가는 리튬이온의 통로 역할을 하는 핵심 소재다. 여러 종류 가운데 황화물계 고체전해질은 이온전도도가 높아 차세대 배터리 소재로 주목받는다. 이온전도도란 리튬이온이 소재 안을 얼마나 빠르게 통과하는지를 나타내는 수치다. 

연구팀은 황화물계 고체전해질 중 ‘육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)’에 주목했다. Li₆PS₅I는 리튬 금속과 맞닿으면 경계면에 아이오딘화 리튬(LiI)이라는 얇은 보호층을 형성한다. 보호층은 리튬 금속의 과도한 화학반응을 억제해 배터리 수명과 안전성을 높이는 역할을 한다.

다만 황화물계 고체전해질 가운데 이온전도도가 상대적으로 낮고 습기에 취약하다는 단점도 있다. 공기 중 수분에 노출되면 유독성 황화수소(H₂S) 가스가 발생해 안전과 공정 관리에 어려움을 준다.

연구팀은 Li₆PS₅I에 역할이 서로 다른 원소 세 가지 염소(Cl)·안티몬(Sb)·산소(O)를 함께 넣어 낮은 이온전도도와 황화수소 발생이라는 두 가지 문제를 동시에 해결했다.

염소(Cl)는 소재 내부 원자 배열을 바꿔 리튬이온이 더 쉽게 이동하도록 통로를 넓힌다. 안티몬(Sb)과 산소(O)는 수분에 강한 결합 구조를 만들어 소재 분해와 황화수소 발생을 억제한다.

연구팀은 세 원소의 비율을 단계적으로 조절하며 다양한 조합을 비교·검증했고 이온전도도와 구조 안정성이 가장 균형 잡힌 최적 배합 비율을 찾아냈다.

실험에서 개발 소재의 이온전도도는 1.158밀리지멘스 퍼 센티미터(mS/cm, 단위길이 1cm에서의 전도 능력)로 기존 Li₆PS₅I 대비 약 77배 높아졌다.

수분 저항성도 크게 개선됐다. 상대습도 30% 환경에서 황화수소 발생량이 40% 줄었다. 상대습도 50% 환경에서 24시간 노출 시 기존 소재는 진흙처럼 변질된 반면 개발 소재는 고체 상태를 그대로 유지했다.

리튬 금속과의 안정성도 높아졌다. 배터리 내부 합선 직전까지 버티는 한계 전류 값이 기존보다 86% 상승했고 리튬 금속과 맞닿은 상태에서 2000시간 이상 안정적으로 작동하는 것도 확인했다.

연구팀은 소재 개발에 그치지 않고 압력 셀을 직접 조립해 실제 배터리 환경에서 사이클 성능까지 검증했다. 개발 소재를 적용한 전고체 전지의 초기 방전용량은 158.4밀리암페어시 퍼 그램(mAh/g, 1g이 저장할 수 있는 용량)으로 기존 Li₆PS₅I 기반 전지(134.5mAh/g)보다 18% 높았다. 충·방전 100회 반복 내구성 시험에서도 용량을 안정적으로 유지했다.

김 수석연구원은 "황화물계 고체전해질에서 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 소재 개발 가능성을 확인했다"며 "국내 소재·부품·장비 기업으로 기술을 이전해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다.

<참고자료>
doi.org/10.1016/j.cej.2026.173923

[조가현 기자 gahyun@donga.com]