"공기에 강하고 고속 충전 가능"…KAIST, 전고체 배터리 한계 넘어

보도기사

산소 결합 구조로 공기 안정성·이온전도도 동시 개선
다양한 소재 적용 가능한 '범용 설계 전략' 확보

연구 개요(AI 생성 이미지)

전고체 배터리는 화재 위험이 낮아 전기차는 물론 로봇과 도심항공교통(UAM) 등 차세대 산업 전반에서 '꿈의 배터리'로 주목 받고 있습니다. 다만 공기 중 수준에 약해 성능이 쉽게 떨어져 상용화의 걸림돌이었습니다.

KAIST 연구진이 이런한 한계를 극복하고 성능까지 끌어올릴 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했습니다.

KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 동국대·연세대·충북대와 공동연구를 통해 공기 노출 환경에서도 구조적 안정성을 유지하면서 이온전도도를 크게 높인 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했습니다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 낮다는 장점이 있지만, 핵심 소재인 할라이드계 고체 전해질은 공기 중 수분에 취약해 성능이 쉽게 저하되는 문제가 있었습니다.

텅스텐 기반 산소고정 전략 연구 이미지

연구팀은 이를 해결하기 위해 '산소 앵커링(Oxygen Anchoring)'이라는 새로운 구조를 도입했습니다. 전해질 내부에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 강화하는 방식으로, 이 과정에서 텅스텐이 핵심 역할을 수행합니다.

도입 결과, 공기 노출 환경에서도 구조 붕괴 없이 안정성을 유지하는 것으로 나타났습니다.

배터리 성능 개선 효과도 확인됐습니다. 전해질 내부 구조 변화로 리튬 이온 이동 경로가 확장되면서 이동 속도가 빨라졌고, 이온전도도는 기존 지르코늄 기반 할라이드 전해질보다 약 2.7배 향상된 것으로 확인됐습니다.

특히 이번 기술은 특정 소재에 국한되지 않는다는 점에서 의미가 큽니다.

연구팀은 지르코늄(Zr), 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반 전해질 등 다양한 소재에 동일한 설계 전략을 적용해 유사한 성능 개선 효과를 확인했습니다. 이는 전고체 배터리 소재 전반에 적용 가능한 '범용 설계 원리'로 평가됩니다.

연구진은 이번 성과가 전고체 배터리 실용화의 핵심 난제인 공기 안정성과 성능을 동시에 해결한 사례라고 설명했습니다.

서동화 교수는 "공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 제시했다는 점에서 향후 전고체 배터리 공정과 소재 개발의 중요한 기준이 될 것"이라고 말했습니다.

KAIST 김재승 박사(현 서울대)와 박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 3월 6일 자로 게재됐습니다.

(사진=KAIST)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr