KAIST, 전고체 배터리 설계의 전환점

[이한영 기자]

전고체 전지를 위한 고체전해질 원자 재배열

스마트폰과 전기차 보급이 늘면서 배터리는 산업 경쟁력을 좌우하는 핵심 기술로 자리 잡았다. 그러나 화재 위험과 높은 제조 비용은 여전히 해결되지 않은 과제로 남아 있다. 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 안전성 측면에서 대안으로 주목받아 왔지만, 실제 활용 단계에서는 성능과 가격을 동시에 만족시키기 어려웠다. 이러한 한계를 구조 설계로 돌파하려는 국내 연구가 의미 있는 성과를 내놨다.

KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀은 서울대학교, 연세대학교, 동국대학교 연구진과 공동으로 전고체 배터리 전해질 내부 구조를 조절해 성능을 끌어올리는 설계 방식을 제시했다.

아래 왼쪽부터 KAIST서동화 교수, KAIST 김재승 연구원. 위 왼쪽부터 동국대 남경완 교수, 서울대 정성균 교수, 연세대 정윤석 교수

값비싼 금속을 추가하지 않고도 이온 이동 효율을 크게 높였다는 점에서 기존 접근과 차별성이 뚜렷하다.

전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용해 안전성이 높지만, 리튬 이온이 고체 내부를 이동하는 과정에서 저항이 커지는 문제가 따른다. 연구팀은 전해질 구조의 뼈대를 이루는 이가 음이온에 주목했다. 산소와 황이 결정 배열에 개입하면 이온 이동 환경이 달라질 수 있다는 점에 착안해, 지르코늄 기반 할라이드 전해질의 구조를 정밀하게 조정했다.

이 설계는 전해질 내부 이동 경로를 넓히고, 이온 이동 과정에서 발생하는 에너지 부담을 줄이는 방향으로 작동했다. 초고해상도 X선 분석과 전자 구조 모델링을 통해 원자 수준에서 구조 변화가 확인됐으며, 성능 향상도 수치로 입증됐다. 산소를 적용한 전해질의 상온 이온전도도는 약 1.78 mS/cm, 황을 적용한 경우는 약 1.01 mS/cm로 측정됐다. 이는 상온에서도 전고체 배터리에 적용 가능한 수준이다.

이가 음이온(O²⁻, S²⁻) 도입에 따른 Zr 기반 할라이드 전해질의 구조 조절 메커니즘

서동화 교수는 이번 연구가 재료 비용 부담을 낮추면서도 성능을 확보할 수 있는 설계 방향을 제시했다는 점을 강조했다. 1저자인 김재승 연구원은 전고체 배터리 연구의 초점을 소재 선택에서 구조 설계로 이동시킨 사례라고 설명했다.

이번 연구는 KAIST 김재승 연구원과 동국대학교 한다슬 연구원이 공동 1저자로 참여했으며, 국제 학술지 Nature Communications에 2025년 11월 27일자로 게재됐다. 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 진행됐다. /대전=이한영기자

<저작권자 Copyright ⓒ 충청일보 무단전재 및 재배포 금지>