전기차, 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 분야에서 화재 위험이 낮은 전고체 배터리에 대한 기대가 커지는 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 신소재를 개발했다.
공기에 약하고 성능이 낮았던 고체 전해질 한계를 동시에 해결할 새로운 설계 원리를 제시해 차세대 전고체 배터리 실용화 가능성을 높였다.
KAIST는 서동화 신소재공학과 교수팀이 동국대·연세대·충북대 연구팀과 함께 공기 노출 환경에서도 구조적 안정성을 유지하면서 이온전도도를 획기적으로 높인 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
전고체 배터리는 이온전도도가 높아 성능 면에서 유리하지만 공기 중 수분에 취약해 쉽게 성능이 저하된다. 연구팀은 이에 산소 앵커링이라는 새로운 구조를 도입했다. 전해질 내에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 단단하게 만드는 방식으로, 텅스텐 원소가 핵심 역할을 한다.
그 결과, 해당 전해질은 공기 노출 환경에서도 구조가 쉽게 붕괴되지 않고 안정적으로 유지된다.
또 연구팀은 안정성뿐 아니라 배터리 성능도 함께 개선했다. 전해질 내부 구조 변화로 리튬 이온 이동 경로가 더 넓고 원활해지면서 이온 이동 속도가 향상됐다. 산소를 도입한 신소재는 기존 고체 전해질보다 이온전도도가 약 2.7배 높았다.
이 기술의 또 다른 특징은 특정 소재에 국한되지 않는다는 점이다. 다양한 배터리 소재에 적용 가능한 '범용 설계 원리'다.
서동화 교수는 “공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략으로 다중 성능을 최적화하는 새로운 소재 설계 원리를 제시했다”라며 “전고체 배터리 연구와 공정 개발 핵심 지표가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 김재승 KAIST 박사(현 서울대)와 박희주 연구원, 김해용 동국대 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 어드밴스드 에너지 머티리얼스에 3월 6일 자로 게재됐다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, 계산 연구는 국가슈퍼컴퓨팅센터 자원을 활용해 진행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
