전고체전지 수명 향상 기술 개발...전기차 검증 추진
[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 고무처럼 늘어나는 탄성 이온전도 소재를 활용해 전고체전지의 수명과 안정성을 향상시키는 기술을 개발했다.
한국화학연구원 김동욱 박사팀은 연세대학교 황성주 교수, 성균관대학교 박호석 교수 연구팀과 함께 황화물 전고체전지 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'를 넣어 충·방전 과정에서 발생하는 균열과 계면 손상을 줄이고 전지 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
연구팀에 따르면 전기차가 보급될수록 많은 이들이 전고체전지 상용화를 기대하고 있다. 기존 리튬이온전지는 화재 위험이 있는 액체 전해질이 사용되는 반면, 전고체전지는 견고한 고체 전해질을 사용해 안전하기 때문이다. 특히 황화물은 액체 전해질 수준의 높은 이온전도도를 보유해 급속충전과 고출력 구현에 유리하여 글로벌 배터리 기업들이 주목하고 있다.
다만 황화물 전고체 전지는 딱딱한 고체 전해질과 전극이 맞닿아 있는 구조라 충·방전을 반복할수록 전극의 부피 변화가 누적돼 내부에 균열이 발생하기 쉽다. 이렇게 생긴 틈은 전자 및 이온 이동을 차단해 급격히 수명을 단축시키고, 높은 압력으로 눌러주는 결합 장치가 필요해 배터리 무게와 생산 비용이 늘어난다.
연구팀은 황화물 전해질 내부에 '탄성 이온전도성 고분자'가 스며들게 했다. 액체 상태 전구체를 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 구조로 경화시켜 전해질 입자 사이 빈 공간을 채운 것이다.
실험 결과, 탄성 고분자를 적용한 전지는 충·방전 상황을 재현하는 리튬 도금·제거 반복 실험에서 2500시간 이상 안정적으로 작동했다. 기존 황화물 전해질은 충·방전 과정에서 경계면 손상이 누적됐지만, 탄성 고분자를 적용한 경우 경계면이 안정적으로 유지됐다.
특히 고속 충·방전 조건에서도 더 높은 용량을 유지했다. 200회 충·방전 후 용량 유지율은 탄성 고분자 미적용 황화물 전해질 전지가 22% 수준에 그친 반면, 탄성 고분자를 적용한 전지는 75%를 유지하여 3배 이상 향상됐다. 즉 장기간 사용 시 성능 저하가 크게 줄어든 것이다.
연구팀은 이 기술이 전지의 외부 압력 의존성을 낮추는 데도 효과적임을 확인했다. 기존 황화물 전고체전지는 전극과 전해질의 밀착을 유지하기 위해 작동 시 높은 압력이 필요했다. 반면 이번 기술은 낮은 압력 조건에서도 상대적으로 안정적인 성능을 보였다. 이는 향후 전고체전지 제조 비용 절감과 구조 단순화에 기여할 수 있어, 상용화 관점에서 큰 의미를 갖는다는 평가다.
연구팀은 앞으로 대면적 전지와 전기차용 환경에서 추가 검증을 계획 중이다.
이번 성과는 재료 분야의 저명한 국제학술지 'Energy Storage Materials(IF: 20.2)' 2026년 5월호에 게재됐다.
jiany@fnnews.com 연지안 기자
