KAIST, 전고체 배터리 고체 전해질 설계 기술 개발… 이온전도도 2.7배 향상

공기 안정성·성능 동시 개선… 산소 앵커링 구조 기반 범용 설계 제시

전고체 배터리는 화재 위험이 낮은 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있지만, 핵심 소재인 고체 전해질의 낮은 공기 안정성과 제한된 이온전도도가 상용화를 가로막는 요인으로 지적돼 왔다. KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀은 동국대·연세대·충북대 연구진과의 공동연구를 통해, 공기 노출 환경에서도 안정성을 유지하면서 이온전도도를 동시에 향상시키는 고체 전해질 설계 기술을 개발했다. 이번 연구는 전고체 배터리 소재에서 반복돼 온 ‘안정성–성능’ 간 트레이드오프를 구조 설계로 해결한 접근이라는 점에서 의미가 있다.

할라이드계 고체 전해질은 높은 이온전도도를 갖는 유망 소재지만, 공기 중 수분에 매우 취약해 구조가 쉽게 붕괴되는 문제가 있었다. 이로 인해 제조 과정에서 무수·무산소 환경이 요구되며, 실제 사용 환경에서도 성능 저하 가능성이 존재해 상용화에 제약이 있었다. 또 이온전도도 역시 액체 전해질 대비 낮아 추가적인 성능 개선이 필요한 상황이었다.

연구팀은 소재 조성이 아니라 ‘구조’에 접근했다. 전해질 격자 내부에 산소를 도입해 특정 금속 중심에 결합시키는 ‘산소 앵커링(Oxygen Anchoring)’ 구조를 설계했다. 이 과정에서 텅스텐(W)이 산소를 강하게 고정하는 역할을 하며, 수분과의 반응을 억제하는 구조를 형성한다. 구조 변화는 성능 개선으로 이어졌다. 산소 도입으로 격자 내 리튬 이온의 이동 경로가 넓어지고, 에너지 장벽이 낮아지면서 이온 이동 속도가 증가했다. 그 결과 기존 대비 약 2.7배 높은 이온전도도(1.12 mS/cm)가 확인됐다. 동시에 공기 노출 조건에서도 구조적 열화와 분해 반응이 크게 감소해 안정성도 개선됐다.

이번 기술의 특징은 범용성이다. 연구팀은 지르코늄(Zr)뿐 아니라 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반 할라이드 전해질에도 동일한 구조를 적용해 유사한 개선 효과를 확인했다. 이는 개별 소재 최적화가 아니라, 다양한 전해질에 적용 가능한 ‘설계 원리’ 수준의 기술임을 의미한다. 공기 안정성 개선은 공정에도 영향을 준다.기존에는 엄격한 무수·무산소 환경이 필요했지만, 안정성이 확보될 경우 제조 조건이 완화되고 비용 부담도 줄어들 수 있다. 이는 전고체 배터리 상용화 과정에서 중요한 변수로 작용할 가능성이 있다.

이번 연구에는 KAIST 김재승 박사(현 서울대), 박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 게재됐다.

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