폭발 없는 전고체 배터리, 상용화 걸림돌 ‘성능·비용’ 모두 잡았다

화재와 폭발 없는 배터리로 주목받지만 성능과 비용 문제로 상용화에 어려움을 겪는 전고체 배터리의 한계를 극복할 수 있는 신기술이 국내에서 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 서동화 신소재공학과 교수와 정성균 서울대 교수, 정윤석 연세대 교수, 남경완 동국대 교수 공동 연구팀이 저비용 원료를 사용하면서도 폭발과 화재 위험이 낮고 성능이 우수한 전고체 배터리 핵심 소재 설계 방법을 개발했다고 8일 밝혔다. 연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 최근 게재됐다.

전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리와 달리 액체 대신 고체 전해질을 사용한다. 이 덕분에 화재와 폭발 위험이 더 낮지만 리튬 이온이 액체 전해질을 흐를 때보다 더 느리게 흘러 성능이 떨어진다. 비싼 금속 소재를 사용해 성능을 보완할 수 있지만 대신 비용이 커져 역시 상용화에 어려움이 생긴다. 전고체 배터리를 상용화하려면 성능과 비용 문제를 동시에 잡아야 하는 상황이다.

연구팀은 비싼 금속 없이 구조 설계만으로 전고체 배터리 성능을 수배 끌어올리는 데 성공했다. 연구팀은 전고체 전해질 내부에 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 통로를 만들기 위해 산소(O²?)와 황(S²?)과 같은 ‘이가 음이온’에 주목했다. 이가 음이온은 전해질 내부 구조의 기본 틀에 들어가 결정 구조를 변화시키는 역할을 한다.

연구팀은 저렴한 지르코늄(Zr) 기반 할라이드 전고체 전해질에 이가 음이온을 도입해 내부 구조를 정밀하게 조절하는 기술을 개발했다. 전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 이동 과정에서 마주치는 장벽을 낮추는 방식이다. 이를 통해 리튬 이온 주변의 결합 환경과 결정 구조를 조절해 이온이 더 빠르고 쉽게 이동하도록 했다.

산소나 황을 도입한 전해질에서는 리튬 이온의 이동 성능이 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 이상 향상된 것으로 나타났다. 이는 값싼 재료를 사용하고도 실제 전고체 배터리에 적용할 수 있는 수준의 성능을 구현했음을 의미한다. 서 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.

김윤수 기자 sookim@sedaily.com
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