이온전도도 77배 향상…유독가스 발생 40% 감소
리튬 안정성 개선…상용화 앞당길 소재 기술 확보

전고체 배터리의 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 성능과 안정성을 동시에 끌어올린 기술이 개발됐습니다. 상용화를 가로막던 이온전도도와 수분 취약성 문제를 동시에 해결했다는 점에서 주목됩니다.

한국생산기술연구원 김태효 수석연구원 연구팀이 전고체 배터리용 황화물계 고체전해질 소재의 구조를 개선해 리튬이온 이동성과 내구성을 크게 향상시켰습니다.

고체전해질은 전고체 배터리 내부에서 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하는 핵심 소재입니다. 특히 이 가운데 황화물계는 높은 이온전도도로 주목받지만, 습기에 취약해 유독성 황화수소가 발생하는 문제가 상용화의 걸림돌이 돼왔습니다.

연구팀은 기존 황화물계 고체전해질 중 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li?PS?I)에 역할이 다른 세 가지 원소, 즉 염소, 안티몬, 산소를 동시에 도입해 구조를 재설계했습니다.

염소는 이온 이동 경로를 넓혀 전도성을 높이고, 안티몬과 산소는 수분에 강한 결합 구조를 형성해 소재 분해를 억제하는 역할을 합니다.

실험 결과 이온전도도는 기존 대비 약 77배 증가한 1.158mS/cm를 기록했습니다. 수분 환경에서도 안정성이 개선돼 상대습도 30% 조건에서 황화수소 발생량이 40% 줄었고, 더 높은 습도에서도 구조가 유지되는 것으로 확인됐습니다.

배터리 안정성도 향상됐습니다. 리튬 금속과 접촉한 상태에서 2,000시간 이상 안정적으로 작동했으며, 내부 단락 직전까지 견디는 한계 전류도 크게 증가했습니다.

실제 전지 성능에서도 개선 효과가 나타났습니다. 해당 소재를 적용한 전고체 전지는 초기 방전 용량이 기존보다 약 18% 높아졌고, 충·방전 100회 반복 시험에서도 안정적인 성능을 유지했습니다.

김태효 수석연구원은 "성능과 안정성을 동시에 확보한 황화물계 전해질 개발 가능성을 확인했다"며 "국내 기업으로 기술 이전을 통해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔습니다.

이번 연구 결과는 화학공학 국제학술지, 케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 게재됐습니다.