[쿠키과학] '공기에도 끄떡없는 전고체 배터리'... KAIST, 고속충전 고체 전해질 개발

수분 취약성 해결한 고체 전해질 설계
텅스텐 기반 구조로 안정성·이온 이동 동시 개선
전기차·UAM 등 적용 가능한 범용 소재 원리 제시

승인 2026-04-16 17:00:38

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전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술 연구이미지(AI 생성 이미지). KAIST

안정성을 유지하면서 충전 속도까지 끌어올린 전고체 배터리 핵심 소재가 나왔다.

KAIST 신소재공학과 서동화 교수팀은 동국대·연세대·충북대와 공동연구로 공기 노출 환경에서도 구조를 안정적으로 유지하면서 이온전도도를 크게 높인 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다.

전고체 배터리는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온 배터리와 달리 화재 위험이 낮아 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다.

그러나 핵심 소재인 고체 전해질은 공기 중 수분에 노출되면 구조가 쉽게 열화되는 문제가 있어 상용화를 가로막았다.

특히 공기 안정성 문제는 제조 과정에서 무수·무산소 환경을 요구해 비용 부담을 높이고, 실제 사용 중 공기 노출 시 안전 문제로 이어질 수 있다는 점에서 한계로 지적되고 있다.

할라이드계 전해질은 높은 이온전도도로 주목받았지만, 대기 안정성이 낮고 전도 성능 역시 추가 개선이 필요한 상태다.

하지만 기존 연구는 금속 조성 변경 중심으로 진행돼 적용 범위가 제한적이라는 한계가 있었다.

공동연구팀은 이를 해결하기 위해 전해질 내부에 산소를 결합한 ‘산소 앵커링’ 구조를 도입했다.

이는 텅스텐 기반 전구체를 활용해 격자 전반에 산소를 균일하게 고정하고, 강한 결합력으로 수분 유입 시 발생하는 분해반응을 억제하는 방식이다.

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. KAIST

이 구조는 산소 도입 과정에서 형성된 미세한 격자 왜곡이 리튬이온 이동 경로를 넓히고, 이동에 필요한 에너지 장벽을 낮췄다.

동시에 리튬이온이 머무를 수 있는 안정화 위치가 추가로 형성되면서 이동 효율이 높아졌다.

실제 산소가 도입된 전해질은 기존 지르코늄(Zr) 기반 소재보다 이온전도도가 2.7배 높은 1.12㎳/㎝를 기록하며 충전 속도를 좌우하는 핵심 지표가 크게 개선됨을 확인했다.

특히 연구팀은 다양한 소재에 적용할 수 있는 범용 설계원리를 도출, 특정 소재에 한정되지 않고 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반 할라이드 전해질에도 동일한 설계를 적용할 때 유사한 성능 향상을 보였다.

공정 측면에서도 기존에는 수분을 완전히 차단한 무수·무산소 환경에서만 제조가 가능했지만, 이 기술은 공기 안정성을 확보해 제조 조건을 완화할 수 있어 생산비용 절감과 사용환경 안전성을 확보했다.

이는 전고체 배터리 상용화의 핵심 장벽을 낮추는 요소로 평가된다.

연구팀은 이번 연구가 전기차뿐 아니라 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 고속 충전과 안전성이 동시에 요구되는 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망했다.

서 교수는 “공기 안정성과 이온전도도를 동시에 끌어올리는 구조 설계 전략을 통해 다중 성능을 최적화했다”며 “이는 전고체 배터리 연구와 공정 개발의 핵심 기준이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 김재승 박사와 박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 6일 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐다.
(논문명: Universal Oxychlorination Strategy in Halide Solid Electrolytes for All-Solid-State Batteries)