한국생산기술연구원(이하 생기원)이 전고체 배터리의 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 성능과 안전성을 동시에 향상시키는 데 성공한 소식을 전했습니다. 이번 연구 성과는 차세대 배터리 기술의 상용화에 중요한 의미를 갖고 있으며, 관련 산업의 경쟁력을 높일 것으로 기대되고 있습니다.
💎 핵심 성과와 기술적 의미
생기원 저탄소에너지그룹 김태효 수석연구원 연구팀은 기존 황화물계 고체전해질에 비해 이온전도도를 77배 향상시키고, 유독성 황화수소 발생량을 40% 감소시키는 소재를 개발하는 데 성공했습니다. 전고체 배터리 내부에서 양극과 음극 사이에 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하는 고체전해질은, 배터리 안전성과 성능에 결정적 역할을 합니다. 특히 황화물계는 높은 이온전도도를 갖는 유력 후보 소재로 꼽히며, 이번 연구는 이 소재의 실용성을 크게 높인 성과라고 할 수 있습니다.
연구팀은 황화물계 고체전해질 중에서도 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)에 주목하여, 제조 원가가 낮고 리튬 금속과 접촉 시 형성되는 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층이 배터리 안정성을 높이는 장점을 활용했습니다. 하지만 기존 소재는 이온전도도가 낮고, 수분에 노출될 경우 유독성 황화수소가 발생하는 문제점이 있었습니다. 이를 해결하기 위해 세 가지 원소, 즉 염소(Cl), 안티몬(Sb), 산소(O)를 조합하여 소재의 내부 원자 배열을 최적화하는 방식을 도입하였으며, 각 원소의 역할은 이온 이동 촉진과 수분 저항성 강화에 중점을 두고 있습니다.
연구팀은 다양한 조성비를 실험하며 이온전도도와 구조적 안정성의 균형점을 찾아냈으며, 그 결과 개발된 소재의 이온전도도는 1.158mS/cm로, 기존 소재 대비 77배 향상된 수치를 기록하였습니다. 또한, 수분에 노출된 환경에서도 황화수소 발생량이 40% 줄어들어, 배터리의 수분 저항성이 크게 개선되었습니다. 실험에서는 50% 상대습도 환경에서 24시간 노출 후, 기존 소재는 진흙처럼 변질된 반면, 개발된 소재는 고체 상태를 유지하는 모습을 보여주었습니다. 이를 통해 배터리 내부에서의 안정성과 수분에 대한 내구성을 확보하는 데 성공했다고 볼 수 있습니다.
또한, 리튬 금속과의 접촉 안정성도 높아졌습니다. 배터리 내부의 합선 직전까지 버틸 수 있는 한계 전류 값이 기존 대비 86% 증가하였으며, 2,000시간 이상 안정적으로 작동하는 것도 확인되었습니다. 이러한 안정성은 배터리 수명과 안전성 확보에 매우 중요한 요소입니다. 더불어 연구팀은 소재의 구조적 특성을 바탕으로 압력 셀을 조립하여 사이클 성능도 검증하였으며, 실제 적용한 전고체 전지의 초기 방전용량이 158.4mAh/g으로, 기존 Li₆PS₅I 기반 전지(134.5mAh/g)보다 18% 향상된 성과를 기록했습니다. 충·방전 반복 시험에서도 우수한 내구성을 보여주어, 실용화 가능성을 높이고 있습니다.
김태효 수석연구원은 “이번 연구로 황화물계 고체전해질이 성능과 안정성을 동시에 갖춘 소재 개발이 가능하다는 점을 확인하였다”고 말하며, “국내 소재·부품·장비 기업에 기술 이전을 추진하여 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 계획”이라고 밝혔습니다. 이번 연구 성과는 화학공학 분야의 대표 학술지인 Chemical Engineering Journal에 게재되었으며, 앞으로 배터리 산업의 경쟁력 강화와 친환경 에너지 확보에 기여할 것으로 기대됩니다.
이와 같은 성과는 차세대 배터리 시장에서 한국이 글로벌 경쟁력을 갖추는 데 중요한 기반이 될 분석입니다. 특히, 안전성과 성능을 동시에 확보할 수 있는 황화물계 고체전해질 소재 개발은 전기차, 에너지 저장장치(ESS) 등 다양한 분야에서 핵심 부품으로 자리매김할 가능성이 높습니다. 앞으로 연구팀이 제시한 기술의 상용화와 산업적 확산이 얼마나 빠르게 이루어질지 주목됩니다.
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