공기 취약성 극복 ‘산소 앵커링’ 구조 첫 제시
이온전도도 ‘2.7배 향상’ 충전 속도·안정성 동시 확보
전기차·로봇·UAM까지 ‘차세대 배터리 상용화’ 기대
연구이미지(AI 생성 이미지). /KAIST
공기 노출에도 안정성을 유지하면서 충전 성능까지 끌어올린 전고체 배터리용 고체 전해질이 개발돼 차세대 배터리 상용화의 핵심 난제를 동시에 풀 수 있는 전기가 마련됐다.
◇ 공기 약점 넘은 ‘전고체 배터리 핵심 기술’
16일 KAIST는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 동국대·연세대·충북대와 공동으로 공기 중에서도 구조 안정성을 유지하는 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 밝혔다.
전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체를 사용해 화재 위험이 낮은 ‘꿈의 배터리’로 꼽히지만, 핵심 소재인 고체 전해질이 공기 중 수분에 취약해 성능이 급격히 저하되는 문제가 있었다.
특히 할라이드계 고체 전해질은 높은 이온전도도를 지녔음에도 공기 안정성이 떨어져 실제 제조와 활용에 큰 제약이 있었다.
이번 연구는 이러한 한계를 구조적으로 해결했다는 점에서 의미가 크다. 공정 환경의 부담을 줄이고 실사용 안전성을 동시에 확보할 수 있는 기반을 마련했다.
◇ ‘산소 앵커링’으로 구조 안정성 확보
연구팀은 전해질 내부에 산소를 결합시키는 ‘산소 앵커링(Oxygen Anchoring)’ 구조를 새롭게 도입했다.
이 구조는 텅스텐 원소를 활용해 산소를 격자 내부에 단단히 고정시키는 방식으로, 수분과의 반응을 억제해 구조 붕괴를 방지하는 역할을 한다.
그 결과, 해당 전해질은 공기 노출 환경에서도 분해나 열화가 크게 줄어들며 안정성을 유지하는 것으로 확인됐다.
이는 기존처럼 무수·무산소 환경을 유지해야 하는 제조 부담을 완화할 수 있다는 점에서 산업적 파급력이 크다.
또한 외부 충격이나 사고 상황에서도 안정성을 높일 수 있어 안전성 측면에서도 중요한 진전으로 평가된다.
◇ 이온 이동 경로 확장…성능도 ‘동시 개선’
연구팀은 안정성 확보에 그치지 않고 배터리 성능 향상도 동시에 이끌어냈다.
산소 도입 과정에서 격자 구조가 미세하게 변형되면서 리튬 이온이 이동할 수 있는 경로가 확장되고, 이동 에너지 장벽이 낮아지는 효과가 나타났다.
이로 인해 새로운 전해질은 기존 지르코늄 기반 소재보다 이온전도도가 약 2.7배 향상된 것으로 확인됐다.
이는 충전 속도 개선과 직결되는 핵심 지표로, 고속 충전 배터리 구현 가능성을 크게 높인 성과다.
연구팀은 해당 기술이 다양한 금속 기반 할라이드 전해질에도 동일하게 적용되는 ‘범용 설계 원리’임을 검증했다.
◇ 전기차 넘어 UAM까지…상용화 기대감 확대
이번 기술은 특정 소재에 국한되지 않고 다양한 전해질 시스템에 적용 가능한 구조 설계 전략이라는 점에서 주목된다.
이에 따라 전기차뿐 아니라 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 고안전·고성능 배터리가 필요한 산업 전반으로 확장 가능성이 크다.
연구팀은 제조 공정 단순화와 성능 향상이 동시에 가능한 만큼 전고체 배터리 상용화 시점을 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.
서동화 교수는 “공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 제시했다는 점에서 향후 전고체 배터리 연구와 공정 개발의 핵심 기준이 될 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 3월 6일자로 게재됐으며, 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.
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