KAIST, 전고체 배터리 실용화 앞당길 고체 전해질 '설계 원리' 제시

전고체 배터리의 실용화를 앞당길 고체 전해질 '설계 원리'가 제시됐다. 전고체 배터리는 '꿈의 배터리'로도 불린다. 하지만 전고체 배터리용 고체 전해질은 공기에 약하고, 성능이 낮은 취약성을 보인다. 제시된 설계 원리는 이 같은 취약성을 동시에 해결, 배터리의 안전성과 충전 속도를 향상할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

AI 생성 이미지. KAIST

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀과 동국대·연세대·충북대 연구팀이 공기 노출 환경에서 구조적 안정성을 유지하면서, 이온전도도를 획기적으로 높일 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

전고체 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리보다 화재 위험이 낮아 차세대 배터리로 주목받는다. 특히 할라이드계 고체 전해질은 염소(Cl), 브롬(Br) 등 할로겐 원소를 포함한 물질로, 이온전도도가 높아 성능 면에서 유리하다.

단 공기 중 수분에 취약해 성능이 쉽게 저하되는 단점도 가졌다. 제조와 취급이 까다로운 소재로도 알려졌다.

공동연구팀은 할라이드계 고체 전해질의 이 같은 문제점을 해결하기 위해 '산소 앵커링(Oxygen Anchoring)'이라는 새로운 구조를 도입했다. 전해질 내부에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 단단하게 만드는 방식이다. 이때 텅스텐 원소는 핵심적인 역할을 한다.

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

새로운 구조를 적용했을 때 할라이드계 고체 전해질은 공기 노출 환경에서도 구조가 쉽게 붕괴되지 않고 안정적으로 유지됐다. 배터리 성능도 개선됐다. 전해질 내부 구조가 변화하면서 리튬 이온의 이동 경로가 넓고 원활해져 이온 이동 속도가 동시 향상된 덕분이다.

실제 산소가 도입된 신소재는 기존 지르코늄(Zr) 기반의 할라이드계 고체 전해질보다 이온전도도가 2.7배가량 높아진 것으로 확인됐다.

이 기술의 또 다른 특징은 특정 소재에 국한되지 않는다는 점이다. 공동연구팀은 지르코늄(Zr), 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반의 다양한 할라이드 고체 전해질에 동일한 설계 방식을 적용했을 때도 유사한 효과를 확인했다. 이는 공동연구팀이 개발한 설계 원리를 다양한 배터리 소재에 적용할 수 있는 '범용성'을 방증한다.

공동연구팀은 이번 기술이 공기 안정성과 성능을 동시에 갖춘 고체 전해질 개발에 기여할 것으로 기대한다.

서 교수는 "공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략으로 '다중 성능'을 최적화하는 새로운 소재 설계 원리가 제시됐다"며 "공동연구팀의 연구 결과가 향후 전고체 배터리 연구와 공정 개발의 핵심 지표로 활용될 수 있길 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 김재승 박사(현 서울대)·박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 6일 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr