[더테크 이지영 기자]  화재·폭발 위험과 높은 비용이라는 배터리 산업의 고질적 한계를 해결할 실마리가 국내 연구진에 의해 제시됐다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 고가 금속을 추가하지 않고도 구조 설계만으로 전고체 배터리 핵심 성능을 최대 4배까지 끌어올리는 데 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 서울대학교 정성균 교수, 연세대학교 정윤석 교수, 동국대학교 남경완 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 저비용 원료 기반의 고성능 전고체 배터리 전해질 설계 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리와 달리 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 화재와 폭발 위험이 낮은 것이 강점이다. 하지만 고체 내부에서 리튬 이온의 이동 속도를 확보하기 위해 값비싼 금속을 사용하거나 공정이 복잡해지는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전고체 전해질 내부 구조를 결정짓는 산소(O²⁻), 황(S²⁻)과 같은 이가 음이온에 주목했다. 이가 음이온은 전해질 결정 구조의 기본 틀을 형성하며, 리튬 이온 이동 경로에 직접적인 영향을 미친다.

연구진은 저렴한 지르코늄(Zr) 기반 할라이드 전고체 전해질에 이가 음이온을 도입해 내부 구조를 정밀하게 제어하는 ‘프레임워크 조절 메커니즘’을 구현했다. 이를 통해 전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고, 이동 과정에서 마주치는 에너지 장벽을 낮춰 이온 이동성을 획기적으로 개선했다.

구조 변화 검증을 위해 연구팀은 초고해상도 X선 산란 분석, 상관거리함수(PDF) 분석, X선 흡수분광(XAS), 전자 구조 및 확산 모델링(DFT) 등 다양한 정밀 분석 기법을 적용해 원자 수준에서의 변화를 규명했다.

그 결과, 산소 또는 황을 도입한 전해질의 리튬 이온 이동 성능은 기존 지르코늄 기반 전해질 대비 2~4배 이상 향상된 것으로 나타났다. 산소를 도입한 전해질의 상온 이온전도도는 약 1.78 mS/cm, 황을 도입한 경우 약 1.01 mS/cm로 측정됐다. 이는 상온에서도 실제 전고체 배터리에 적용 가능한 수준으로 평가된다.

서동화 교수는 “값싼 원료만으로 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 해결할 수 있는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “산업적 활용 가능성이 매우 높다”고 밝혔다. 제1저자인 김재승 연구원도 “이번 연구는 소재 선택을 넘어 전고체 배터리를 ‘어떻게 설계해야 하는가’에 대한 방향을 제시한 연구”라고 설명했다.

이번 연구에는 KAIST 김재승 연구원과 동국대학교 한다슬 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 *네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)*에 2025년 11월 27일 자로 게재됐다.