▲ 고체 전해질에 텅스텐(W) 염산화물을 활용한 ‘산소 앵커링’ 전략과 그 효과를 나타낸 개념도. 산소가 격자 내에 균일하게 고정되면서 수분과의 반응이 억제되고 공기 안정성이 향상된다. 이 과정에서 추가적인 리튬 이온 안정화 위치가 형성되어 리튬 이온 전도 특성도 개선된다. 본 전략은 Li2ZrCl6, Li3YCl6, Li3InCl6, Li3ErCl6 등 다양한 금속 기반 할라이드 전해질에 적용 가능함을 보여준다.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

차세대 에너지 기술로 주목받는 전고체 배터리의 핵심 난제가 국내 연구진에 의해 해결됐다. 공기 중에서도 안정성을 유지하면서 충전 속도까지 획기적으로 높일 수 있는 고체 전해질 설계 원리가 제시되며, ‘꿈의 배터리’ 실용화에 한 걸음 더 다가섰다.

KAIST 신소재공학과 서동화 교수 연구팀은 동국대·연세대·충북대와의 공동연구를 통해 공기 안정성과 고속 이온 전도 특성을 동시에 확보한 전고체 배터리용 고체 전해질 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 'Advanced Energy Materials'에 게재됐다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 낮고 안전성이 뛰어난 차세대 배터리로 꼽힌다. 그러나 고성능 소재로 평가받는 할라이드계 고체 전해질은 공기 중 수분에 취약해 성능이 쉽게 저하되는 치명적인 한계를 안고 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘산소 앵커링(Oxygen Anchoring)’이라는 새로운 구조 설계 전략을 도입했다. 전해질 내부에 산소를 결합시켜 구조를 단단히 고정하는 방식으로, 텅스텐 원소가 핵심 역할을 수행한다. 이 구조를 통해 공기 노출 환경에서도 전해질의 안정성이 유지되는 것이 확인됐다.

성능 개선도 동시에 이뤄졌다. 전해질 내부 구조 변화로 리튬 이온의 이동 경로가 넓어지고 흐름이 원활해지면서 이온전도도가 크게 향상됐다. 실제로 새로 개발된 소재는 기존 지르코늄 기반 전해질 대비 약 2.7배 높은 이온전도도를 기록했다.

특히 이번 기술은 특정 소재에 국한되지 않고, 다양한 할라이드계 전해질에 적용 가능한 ‘범용 설계 원리’라는 점에서 의미가 크다. 지르코늄(Zr), 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반 소재에서도 동일한 효과가 확인되며 확장성을 입증했다.

이번 성과는 배터리의 안정성과 충전 속도를 동시에 개선할 수 있는 핵심 기술로, 전기차, 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 다양한 산업 분야에서 활용될 전망이다.

서동화 교수는 “공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 통해 다중 성능을 최적화한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “향후 전고체 배터리 소재 개발과 공정 기술의 중요한 기준이 될 것”이라고 밝혔다.

전고체 배터리 상용화를 가로막던 ‘안정성 vs 성능’의 딜레마를 동시에 풀어낸 이번 연구는, 에너지 산업의 패러다임 전환을 앞당길 핵심 기술로 평가된다.

이번 연구는 KAIST 김재승 박사(현 서울대)와 박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 논문명은 Universal Oxychlorination Strategy in Halide Solid Electrolytes for All-Solid-State Batteries이다.