KAIST, 공기 수분에 대항할 전고체 배터리 소재 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이 협동연구를 통해 공기에 약하고 성능이 낮았던 고체 전해질의 한계를 해결할 새로운 설계원리를 제시, 꿈의 배터리인 차세대 전고체 배터리의 실용화 가능성을 확보했다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)는 신소재공학과 서동화 교수팀이 동국대·연세대·충북대 연구팀과 공동연구를 통해 공기 노출환경에서도 구조적 안정성을 유지하면서 이온전도도를 획기적으로 높인 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

액체 전해질을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리와 달리 전고체 배터리는 화재 위험이 낮은 차세대 배터리로 주목받고 있다. 이 중 할라이드계 고체 전해질은 염소(Cl), 브롬(Br)과 같은 할로겐 원소를 포함한 물질로 이온전도도가 높아 성능이 우수하지만 공기 중 수분에 매우 취약하다.

이번에 공동 연구팀은  전해질 내부에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 단단하게 만드는 '산소 앵커링(Oxygen Anchoring)' 방식의 새로운 구조를 도입해 기존 문제를 해결했다. 산소안정화 과정에서 텅스텐 원소가 핵심적인 역할을 한다.

이를 통해  전해질이 공기 노출환경에서도 구조가 쉽게 붕괴되지 않고 안정적으로 유지할 수 있도록 했다. 특히 이기술은 기존 지르코늄(Zr) 기반 할라이드계 고체 전해질보다 이온전도도가 약 2.7배 높은 것으로 확인됐다. 전해질 내부구조 변화로 리튬 이온의 이동 경로가 더 넓고 원활해지면서 이온 이동 속도가 향상됐기 때문이다.
 
이어 연구팀은 지르코늄(Zr), 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반 등 다양한 할라이드 고체 전해질에 동일한 전략을 적용해 유사한 효과를 확인했다. 이는 다양한 배터리 소재에 적용 가능한 '범용 원리'라는 의미다.

공기 안정성과 성능을 동시에 갖춘 고체 전해질 개발 속도를 앞당겼다는 평을 듣는 이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 지난달 6일 게재됐다.

서동화 교수는 "이번 연구는 공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 통해 다중 성능을 최적화하는 새로운 소재 설계 원리를 제시한 것"이라며 "향후 전고체 배터리 연구와 공정개발의 핵심 지표가 될 것으로 본다"고 말했다.


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