“수분 약점 극복” 고속 충전까지…꿈의 ‘전고체 배터리’ 상용화 난제 해결

- KAIST-동국대-연세대-충북대 공동연구 성과
- 공기 안정성·충전속도 잡은 고체전해질 개발

김재승(아랫줄 왼쪽부터) 서울대 박사, 서동화 KAIST 교수, 박희주, 서지원, 최진영 KAIST 연구원, 김해용(윗줄 왼쪽부터) 동국대 연구원, 이은렬 충북대 교수, 남경완 동국대 교수, 정윤석 연세대 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 폭발위험을 원천 차단한 차세대 ‘전고체 배터리’ 상용화를 앞당길 핵심기술 개발에 성공했다.

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 동국대, 연세대, 충북대와 공동연구를 통해 공기 노출 환경에서도 구조적 안정성을 유지하면서 이온전도도를 획기적으로 높인 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

전고체 배터리에 활용되는 할라이드계 고체 전해질은 염소(Cl), 브롬(Br)과 같은 할로겐 원소를 포함한 물질로, 이온전도도가 높다는 것이 장점이다. 하지만 공기 중 수분에 매우 취약해 쉽게 성능이 저하되는 단점이 있어 실제 제조와 취급이 까다롭다.

연구팀은 ‘산소 앵커링(Oxygen Anchoring)’이라는 새로운 구조를 도입했다. 이는 전해질 내부에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 단단하게 만드는 방식으로, 이 과정에서 텅스텐 원소가 핵심적인 역할을 한다.

그 결과, 해당 전해질은 공기 노출 환경에서도 구조가 쉽게 붕괴되지 않고 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술 모식도.(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

또한 터리 성능도 함께 개선했다. 전해질 내부 구조 변화로 리튬 이온의 이동 경로가 더 넓고 원활해지면서 이온 이동 속도가 향상됐기 때문이다. 실제 산소가 도입된 신소재는 기존 지르코늄(Zr) 기반 할라이드계 고체 전해질보다 이온전도도가 약 2.7배 높은 것으로 확인됐다.

연구팀은 이번 기술이 공기 안정성과 성능을 동시에 갖춘 고체 전해질 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

서동화 교수는 “이번 연구는 공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 통해 다중 성능을 최적화하는 새로운 소재 설계 원리를 제시한 것”이라며 “향후 전고체 배터리 연구와 공정 개발의 핵심 지표가 될 것으로 본다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’에 3월 6일 게재됐다.