안 터지는 배터리 나오나…KAIST, 전고체 배터리 성능 한계 깼다

저가 원료 기반 전고체 배터리 소재 개발
기존 전해질보다 2~4배 높은 성능 증명

성능을 끌어올린 전고체 배터리를 개발한 서동화 KAIST 교수(왼쪽)와 김재승 KAIST 연구원. 오른쪽 위는 연구에 함께 참여한 남경완 동국대 교수, 정성균 서울대 교수, 정윤석 연세대 교수(왼쪽부터). KAIST 제공

전기차 화재 뉴스가 나올 때마다 '배터리만 좀 더 안전해지면'이라는 말이 반복된다. 액체 전해질 대신 고체를 쓰는 ‘전고체 배터리’가 차세대 해법으로 꼽히는 이유다. 문제는 현실이었다. 안전성은 높지만 성능과 가격의 벽을 넘기 어려웠다.

KAIST 연구팀은 이 난제를 정면으로 깼다. 비싼 금속을 하나도 쓰지 않고 구조 설계만으로 전고체 배터리 성능을 최대 4배 끌어올리는 데 성공했다. '안 터지고, 싸고, 성능 좋은 배터리'에 한 걸음 다가섰다는 평가가 나온다.

KAIST는 7일 서동화 신소재공학과 교수 연구팀이 서울대·연세대·동국대와 공동 연구를 통해 저가 원료 기반으로 전고체 배터리 핵심 소재 설계 기술을 개발했다고 밝혔다.

핵심은 재료가 아니라 ‘구조’였다. 일반 배터리는 액체 전해질 안에서 리튬 이온이 이동한다. 반면 전고체 배터리는 고체 전해질을 쓰기 때문에 화재·폭발 위험이 구조적으로 낮다. 하지만 고체 안에서 리튬 이온을 빠르게 움직이게 하려면 지금까지는 값비싼 희소 금속이나 복잡한 공정이 필요했다.

연구팀은 발상을 바꿨다. 산소(O²⁻)와 황(S²⁻) 같은 흔한 이가 음이온에 주목했다. 이 음이온들을 지르코늄(Zr) 기반의 저가 할라이드 전해질 구조 안에 집어넣어 내부 골격 자체를 재설계했다.

그 결과 전해질 내부에서 리튬 이온이 지나다니는 통로가 넓어지고 이동 과정에서 마주치는 에너지 장벽이 낮아졌다. 연구팀은 이를 ‘프레임워크 조절 메커니즘’이라고 설명한다. 재료를 바꾸지 않고, 길을 넓혀준 셈이다.

성과는 수치로 바로 드러났다. 산소를 도입한 전해질의 상온 이온전도도는 센티미터당 1.78 mS, 황을 도입한 전해질은 센티미터당 1.01 mS를 기록했다. 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 높은 수준이다. 업계에서는 센티미터당 1 mS 이상이면 실제 전고체 배터리에 적용 가능한 기준선으로 본다.

연구팀은 초고해상도 X선 분석, X선 흡수분광, 원자 단위 시뮬레이션까지 동원해 구조 변화가 실제 이온 이동 속도 향상으로 이어지는 과정을 규명했다. 설계 원리를 증명한 연구라는 점에서 의미가 크다.

서 교수는 “값싼 원료만으로도 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 방향을 제시했다”며 “산업적 활용 가능성이 매우 크다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS), 고안전 휴대기기 등 ‘절대 터지면 안 되는’ 배터리 시장에서 전고체 배터리 상용화를 앞당길 핵심 기술이라는 평가가 나온다.

이영애 기자 0ae@hankyung.com