KAIST, 비싼 금속 없이 전고체 배터리 성능 한계 돌파

산소·황 활용한 구조 설계로 이온전도 2~4배 향상… 안전·비용·성능 동시 개선

전고체 배터리는 화재와 폭발 위험을 근본적으로 줄일 수 있는 차세대 에너지 저장 기술로 주목받아 왔다. 그러나 높은 성능을 확보하기 위해 값비싼 금속 원소나 복잡한 공정이 필요하다는 점이 상용화의 가장 큰 장벽으로 지적돼 왔다. KAIST 연구진이 이러한 한계를 구조 설계만으로 극복할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 서울대학교 정성균 교수, 연세대학교 정윤석 교수, 동국대학교 남경완 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 비싼 희소 금속을 추가하지 않고도 전고체 배터리 핵심 소재의 성능을 획기적으로 향상시키는 설계 원리를 개발했다고 1월 7일 밝혔다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 안전성이 높지만, 고체 내부에서 리튬 이온이 빠르게 이동하도록 만드는 것이 기술적 난제로 남아 있었다. 기존 연구들은 이 문제를 해결하기 위해 고가의 금속을 첨가하거나 제조 공정을 복잡화하는 방식에 의존해 왔다.

연구팀은 이러한 접근 대신, 전해질 결정 구조 자체를 조절하는 데 주목했다. 지르코늄(Zr) 기반 할라이드 전고체 전해질에 산소(O²⁻)와 황(S²⁻)과 같은 이가 음이온을 선택적으로 도입해, 전해질 내부 구조를 능동적으로 재배열하는 ‘프레임워크 조절 메커니즘’을 제시했다. 이가 음이온은 전해질 내부에서 결정 구조를 미세하게 왜곡하고 느슨하게 만들어, 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 에너지 장벽을 낮추는 역할을 한다.

연구팀은 초고해상도 X선 산란 분석, 상관거리함수(PDF) 분석, X선 흡수분광(XAS), 밀도범함수이론(DFT) 기반 계산 등 다양한 정밀 분석 기법을 활용해 이러한 구조 변화를 원자 수준에서 규명했다. 그 결과 산소를 도입한 전해질은 상온에서 약 1.78 mS/cm, 황을 도입한 전해질은 약 1.01 mS/cm의 이온전도도를 기록했다. 이는 기존 지르코늄 기반 전해질 대비 2~4배 향상된 수치로, 상온에서 실제 배터리 적용이 가능한 수준으로 평가된다.

이번 연구의 의미는 특정 조성의 소재 개발에 그치지 않는다. 연구진은 ‘어떤 비싼 소재를 사용할 것인가’가 아니라, ‘전해질 구조를 어떻게 설계할 것인가’라는 새로운 질문을 제시했다는 점에서 전고체 배터리 연구의 방향성을 전환했다. 이 설계 원리는 지르코늄 기반 시스템을 넘어 다양한 할라이드 전해질로 확장 가능해, 전기차와 에너지저장장치(ESS), 고안전 휴대용 전자기기 등 폭넓은 응용이 기대된다.

서동화 교수는 값싼 원료만으로도 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 산업적 파급력이 크다고 설명했다. 제1저자인 KAIST 김재승 연구원은 이번 연구가 전고체 전해질 개발에서 구조 설계 중심 접근의 가능성을 명확히 보여줬다고 덧붙였다.

이번 연구에는 동국대학교 한다슬 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 『Nature Communications』에 2025년 11월 27일자로 게재됐다. 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

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