전기차와 로봇, 도심항공교통(UAM) 등에서 화재 위험이 낮은 ‘꿈의 배터리’로 꼽히는 전고체 배터리에 대한 기대가 커지는 가운데, 국내 연구진이 공기 안정성과 성능을 동시에 개선한 고체 전해질 설계 기술을 제시했다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 동국대, 연세대, 충북대 연구팀과의 공동연구를 통해 공기 노출 환경에서도 안정성을 유지하면서 이온전도도를 크게 높인 전고체 배터리용 고체 전해질을 개발했다고 17일 밝혔다.

전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 낮은 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 할라이드계 고체 전해질은 이온전도도가 높아 성능 면에서 유리하지만, 공기 중 수분에 취약해 실제 활용에 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘산소 앵커링(Oxygen Anchoring)’ 구조를 도입했다. 전해질 내부에 산소를 결합시켜 구조를 안정화하는 방식으로, 텅스텐이 핵심 역할을 한다. 이를 통해 공기 노출 환경에서도 전해질 구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

성능 개선도 동시에 이뤄졌다. 내부 구조 변화로 리튬 이온 이동 경로가 넓어지면서 이온전도도가 기존 지르코늄 기반 할라이드 전해질 대비 약 2.7배 향상됐다. 충전 속도와 효율을 동시에 높일 수 있는 기반을 확보한 셈이다.

이번 기술은 특정 소재에 국한되지 않는다는 점도 특징이다. 지르코늄, 인듐, 이트륨, 어븀 기반 전해질 등 다양한 물질에 동일한 설계 전략을 적용해 유사한 효과를 확인했다. 연구팀은 이를 범용적으로 활용 가능한 설계 원리로 평가하고 있다.

서 교수는 “공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 제시했다”며 “전고체 배터리 실용화를 앞당길 핵심 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 3월 6일 게재됐다.