KAIST, 저비용 전고체 배터리 성능 2~4배 높여

[석대건 기자]

(아래) KAIST서동화 교수 (왼쪽), KAIST 김재승 연구원 (오른쪽),(위, 왼쪽부터) 동국대 남경완 교수, 서울대 정성균 교수, 연세대 정윤석 교수 [사진: KAIST]

[디지털투데이 석대건 기자] KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 저비용 원료로 전고체 배터리 성능을 2~4배 향상시키는 설계 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재와 폭발 위험이 낮지만, 고체 안에서 리튬 이온이 빠르게 이동하려면 값비싼 금속이나 복잡한 제조 공정이 필요했다. 이에 연구팀은 산소(O²⁻)와 황(S²⁻) 같은 이가 음이온에 주목했다. 이가 음이온은 전해질 내부 구조의 기본 틀에 들어가 결정 구조를 변화시킨다.

연구팀은 저렴한 지르코늄(Zr) 기반 할라이드 전고체 전해질에 이가 음이온을 도입해 내부 구조를 조절하는 기술을 개발했다. 이 설계 원리는 프레임워크 조절 메커니즘으로, 전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 이동 과정의 장벽을 낮추는 방식이다.

연구팀은 초고해상도 X-선 산란 분석, 상관거리함수(PDF) 분석, X선 흡수분광(XAS), 컴퓨터 기반 전자 구조 및 확산 모델링(DFT) 등 정밀 분석 기법을 활용했다. 산소나 황을 도입한 전해질에서는 리튬 이온의 이동 성능이 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 이상 향상됐다고 설명했다. 값싼 재료를 사용하고도 실제 전고체 배터리에 적용할 수 있는 수준의 성능을 구현했다.

산소(O²⁻)를 도입한 전해질의 상온 이온전도도는 약 1.78mS/cm, 황(S²⁻)을 도입한 전해질은 약 1.01mS/cm로 측정됐다. 이온전도도는 전해질 안에서 리튬 이온이 얼마나 빠르고 원활하게 이동하는지를 나타내는 지표로, 수치가 클수록 배터리 성능이 우수하다. 예를 들어 1mS/cm 이상이면 상온에서 실제 배터리에 적용하기에 충분한 수준으로 평가된다.

서동화 교수는 "이번 연구를 통해 값싼 원료로도 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 설계 원리를 제시했다"며 "산업적 활용 가능성이 매우 크다"고 말했다. 제1저자인 김재승 연구원은 이번 연구가 전고체 배터리 소재 개발에서 '어떤 소재를 쓸 것인가'를 넘어 '어떻게 설계해야 하는가'에 대한 방향을 제시한 연구라고 말했다.

KAIST 관계자는 "향후 더 넓은 전고체전해질 조성군에도 응용되어 산업적 활용 범위를 크게 넓힐 것으로 기대된다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 김재승 연구원과 동국대학교 한다슬 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 서울대학교 정성균 교수, 연세대학교 정윤석 교수, 동국대학교 남경완 교수 연구팀과 공동 연구를 진행했다. 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 2025년 11월 27일자로 게재됐다. 삼성전자 미래기술육성센터, 한국연구재단, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

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