KAIST 연구진이 값비싼 금속을 추가하지 않고도 구조 설계만으로 전고체 배터리의 성능을 크게 향상시키는 핵심 소재 설계 기술을 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 서울대, 연세대, 동국대 연구진과의 공동 연구를 통해 저비용 원료를 사용하면서도 안전성과 성능을 동시에 개선할 수 있는 전고체 배터리 전해질 설계 원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재·폭발 위험이 낮지만, 고체 내부에서 리튬 이온 이동성을 확보하기 위해 값비싼 금속이나 복잡한 공정이 필요하다는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 산소(O²⁻)와 황(S²⁻) 등 이가 음이온에 주목했다.

연구팀은 저렴한 지르코늄(Zr) 기반 할라이드 전해질에 이가 음이온을 도입해 결정 구조를 조절하는 ‘프레임워크 조절 메커니즘’을 적용했다. 이를 통해 전해질 내부에서 리튬 이온 이동 통로를 넓히고 이동 장벽을 낮춰 이온 전도 특성을 개선했다.

초고해상도 X선 산란 분석과 X선 흡수분광, 전자 구조 계산 등을 통해 원자 수준의 구조 변화를 분석한 결과, 산소 또는 황을 도입한 전해질의 리튬 이온 이동 성능은 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 향상된 것으로 나타났다. 산소를 도입한 전해질의 상온 이온전도도는 약 1.78 mS/cm, 황을 도입한 경우는 약 1.01 mS/cm로, 상온에서 실제 배터리 적용이 가능한 수준으로 평가된다.

서동화 교수는 “값싼 원료만으로 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 설계 원리를 제시했다”며 “산업적 활용 가능성이 크다”고 말했다. 제1저자인 김재승 연구원은 “소재 선택을 넘어 구조 설계 관점에서 전고체 배터리 개발 방향을 제시한 연구”라고 설명했다.

이번 연구는 KAIST 김재승 연구원과 동국대 한다슬 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 Nature Communications에 2025년 11월 27일자로 게재됐다. 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.