▲ 연구이미지(AI 생성)
배터리 성능과 안전성, 두 축을 동시에 끌어올릴 수 있는 핵심 기술이 국내 연구진 손에서 나왔다.
KAIST 연구진은 동국대, 연세대, 충북대와 공동으로 공기 노출 환경에서도 안정성을 유지하면서 이온 이동 속도까지 크게 향상시킨 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
전고체 배터리는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리와 달리 화재 위험이 낮아 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다.
특히 할라이드계 고체 전해질은 높은 이온전도도를 갖춰 성능 면에서 유리하지만, 공기 중 수분에 쉽게 반응해 성능이 떨어지는 약점이 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.
▲ 아래 왼쪽부터 서울대 김재승 박사, KAIST 서동화 교수, KAIST 박희주 연구원, 서지원 연구원, 최진영 연구원. 위 왼쪽부터 동국대 김해용 연구원, 충북대 이은렬교수, 동국대 남경완교수, 연세대 정윤석 교수
연구진은 이 문제를 해결하기 위해 '산소 앵커링' 구조를 도입했다. 전해질 내부에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 단단히 고정하는 방식으로, 이 과정에서 텅스텐이 핵심 역할을 수행한다.
이 설계를 적용한 결과, 공기 노출 환경에서도 구조 붕괴 없이 안정성이 유지되는 것으로 나타났다.
성능 개선도 뚜렷했다. 전해질 내부 구조 변화로 리튬 이온 이동 경로가 넓어지면서 이동 속도가 빨라졌고, 기존 지르코늄 기반 할라이드 전해질 대비 이온전도도가 약 2.7배 향상된 것으로 확인됐다.
이번 기술은 특정 소재에 국한되지 않는 범용성도 확보했다. 지르코늄뿐 아니라 인듐, 이트륨, 어븀 기반 전해질에도 동일한 설계를 적용해 유사한 성능 개선 효과를 입증했다.
▲ 텅스텐 기반 산소고정 전략 연구이미지
연구진은 이 같은 결과가 전고체 배터리 상용화 과정에서 핵심 난제로 꼽히던 안정성과 성능 문제를 동시에 풀 수 있는 해법이 될 것으로 보고 있다.
전기차는 물론 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 고성능 배터리가 필요한 산업 전반으로 확장 가능성도 제시됐다.
연구를 이끈 서동화 교수는 공기 안정성과 이온전도도를 함께 끌어올리는 구조 설계 전략을 통해 차세대 배터리 소재 개발의 기준을 제시했다고 설명했다.
연구는 KAIST 김재승 박사(현 서울대)와 박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 1저자로 참여했으며, 성과는 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 2026년 3월 6일 자로 게재됐다. 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다. /대전=이한영기자
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