KAIST "구조 설계만으로 '전고체 배터리' 저비용·고성능 구현"

구조 설계만으로 전고체 배터리의 성능을 끌어올릴 방법이 고안됐다. 이 방법은 전고체 배터리의 안전성·성능·가격을 동시에 만족하기 어려웠던 그간의 문제를 해결할 단초가 될 것이라는 점에서 주목받는다.

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 서울대 정성균 교수, 연세대 정윤석 교수, 동국대 남경완 교수 연구팀과 협력해 저비용 원료로 폭발과 화재 위험은 낮추고 성능은 높일 수 있는 전고체 배터리 핵심 소재 설계 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

(하단 왼쪽부터) KAIST서동화 교수, KAIST 김재승 연구원,(상단 왼쪽부터) 동국대 남경완 교수, 서울대 정성균 교수, 연세대 정윤석 교수. KAIST 제공

일반 배터리는 액체 전해질 안에서 리튬 이온이 이동한다. 이와 달리 전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용해 상대적으로 안전하다. 단 고체 안에서 리튬 이온이 빠르게 이동하도록 만들기 위해선 고가의 금속을 사용하거나 복잡한 제조 공정이 요구되는 점은 한계로 작용한다.

이 같은 한계를 해소하기 위해 공동연구팀은 산소와 황 등 '이가 음이온'에 주목. 전고체 전해질 내부에 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 통로를 만들었다. 이가 음이온은 전해질 내부 구조의 기본 틀에 들어가 결정 구조를 변화시키는 역할을 한다.

저렴한 지르코늄(Zr) 기반의 할라이드 전고체 전해질에 이가 음이온을 도입해 내부 구조를 정밀하게 조절하는 게 공동연구팀이 개발한 기술의 핵심이다. 이 설계 원리는 '프레임워크 조절 메커니즘'으로 전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 이동 과정에서 마주치는 장벽을 낮춘다. 이를 통해 리튬 이온 주변의 결합 환경과 결정 구조를 조절해 이온이 더 빠르고 쉽게 이동하도록 했다.

공동연구팀은 이러한 구조 변화를 확인하기 위해 초고해상도 X-선 산란 분석, 상관거리함수(PDF) 분석, X선 흡수분광(XAS), 컴퓨터 기반 전자 구조 및 확산 모델링(DFT) 등 정밀 분석 기법으로 원자 수준에서의 변화를 규명했다.

규명 과정에서 산소나 황을 도입한 전해질은 리튬 이온의 이동 성능이 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 이상 향상된 것으로 확인됐다. 이는 값싼 재료를 사용하고도 실제 전고체 배터리에 적용할 수 있는 수준의 성능을 구현했음을 의미한다.

전고체 전지를 위한 고체전해질 원자 재배열 과정(AI생성 이미지). KAIST 제공

실제 산소를 도입한 전해질의 상온 이온전도도는 1.78㎳/㎝, 황을 도입한 전해질은 1.01㎳/㎝로 측정됐다. 이온전도도는 전해질 안에서 리튬 이온이 얼마나 빠르고 원활하게 이동하는지를 나타내는 지표로 수치가 클수록 배터리 성능이 우수하다. 1㎳/㎝ 이상이면 상온에서 실제 배터리에 적용하기에 충분한 수준으로 평가된다.

서 교수는 "이번 연구는 값싼 원료로도 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 김재승 연구원과 동국대 한다슬 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 최근 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에서도 소개됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr