배터리는 스마트폰과 전기차 등 현대 사회의 핵심 기술이지만, 화재 위험과 높은 비용이라는 한계를 안고 있습니다.

이를 해결할 대안으로 전고체 배터리가 주목받아 왔지만, 성능을 높이기 위해서는 값비싼 금속을 사용해야 한다는 점이 상용화의 걸림돌로 꼽혀 왔습니다.

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수팀이 서울대 정성균 교수, 연세대 정윤석 교수, 동국대 남경완 교수팀과의 공동 연구를 통해, 저비용 원료를 쓰면서도 구조 설계만으로 폭발과 화재 위험이 낮고 성능이 우수한 전고체 배터리 핵심 소재 설계 기술을 개발했습니다.

전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용해 안전성이 높지만, 고체 내부에서 리튬 이온이 빠르게 이동하도록 만드는 것이 쉽지 않습니다.

기존에는 이를 해결하기 위해 값비싼 희귀 금속을 쓰거나 공정이 복잡해지는 문제가 있었습니다.

연구팀은 전해질 내부 구조 자체를 바꾸는 방식에 주목했습니다.

값싼 지르코늄 기반 전해질에 산소와 황 같은 이가 음이온을 도입해, 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 이동 과정에서 마추치는 장벽을 낮추는 구조를 설계했습니다.

이른바 프레임워크 조절 메커니즘으로 소재를 바꾸지 않고 내부 통로를 정리한 방식입니다.

산소나 황을 도입한 결과, 리튬 이온의 이동 성능이 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 이상 향상됐습니다.

또 상온에서도 실제 전고체 배터리에 적용 가능한 수준의 이온전도도를 확보해, 비용과 성능을 동시에 개선할 수 있음을 입증했습니다.

연구팀은 이번 성과는 전고체 배터리 개발에서 값싼 소재를 쓰면서도 내부 구조를 어떻게 설계하느냐에 따라 성능을 좌우할 수 있음을 보여준 사례라고 설명했습니다.

해당 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난 해 11월 27일 자로 실렸습니다.

TJB 대전방송