산학협력단

경상국립대 성재경 교수 연구팀, 전고체전지 상용화 ‘열쇠’ 리튬금속 계면 설계 새로운 기준 제시

- 전고체전지 안정성 높이는 중간막 소재(금속·고분자·세라믹) 설계법 제시

- 전기차·로봇·드론용 배터리를 위한 저압·저온·고속충전 조건까지 고려

- 《Advanced Energy Materials》(JCR 상위 2.5%) 게재

경상국립대(총장 권진회)는 공과대학 신소재공학부(나노신소재융합공학과) 성재경 교수 연구팀이 전고체 리튬금속전지에서 리튬금속과 고체전해질 사이에 넣는 중간막(interlayer) 소재를 성질별로 체계적으로 비교하고, 배터리 작동 조건에 따라 어떤 중간막을 선택해야 하는지 판단할 수 있는 설계 기준을 제시했다고 밝혔다. 이번 연구는 중간막 소재 선택에 대한 명확한 기준이 없던 상황에서, 계면 문제를 먼저 파악한 뒤 그에 맞는 소재를 고르는 설계 방향을 제안했다는 데 의미가 있다.

전기차, 로봇, 드론, 데이터센터 등 여러 산업에서 더 오래 쓰고 더 안전한 배터리에 대한 요구가 커지면서, 기존 리튬이온전지보다 안전성과 에너지 저장 능력을 높일 수 있는 전고체전지(All-Solid-State Battery, 액체 전해질 대신 고체전해질을 쓰는 전지)가 차세대 배터리로 주목받고 있다. 특히 리튬금속은 같은 무게로 더 많은 에너지를 저장할 수 있어 전고체전지의 유망한 음극 소재로 꼽힌다. 그러나 리튬금속이 고체전해질과 직접 맞닿으면 서로 반응하거나 틈과 균열이 생기고, 리튬이 고르게 쌓이지 않는 문제가 발생해 배터리의 수명과 안전성을 떨어뜨린다. 이를 해결하기 위해 두 소재 사이에 매우 얇은 중간막을 넣는 방법이 활발히 연구되고 있으며, 금속·고분자·세라믹 등 다양한 소재가 시도되고 있다. 하지만 어떤 소재를 어떤 상황에서 사용해야 하는지에 대한 기준은 아직 명확하지 않았다.

연구팀은 황화물계 고체전해질을 사용하는 전고체전지를 대상으로, 중간막이 얼마나 잘 휘어지고 깨지지 않는지, 리튬과 얼마나 잘 어울리는지, 리튬이온이 얼마나 원활하게 이동할 수 있는지, 고체전해질과 불필요한 반응을 일으키지 않는지 등을 종합적으로 분석했다.

분석 결과, 연구팀은 중간막의 특정 성질이 무조건 높을수록 좋은 것은 아니라는 점을 확인했다. 예를 들어 전기가 잘 통하는 중간막은 리튬이 고르게 쌓이는 데 도움이 될 수 있지만, 전자가 고체전해질까지 지나치게 전달되면 오히려 불필요한 화학반응을 일으킬 수 있다. 연구팀은 이를 근거로 중간막의 종류와 성질을 배터리의 작동 조건에 맞게 조절해야 한다고 설명했다. 또한 실제 배터리 사용 환경을 고려해 낮은 압력, 낮은 온도, 빠른 충전과 방전, 얇은 리튬 사용 등 조건별로 어떤 중간막이 필요한지를 정리했으며, 배터리 계면에서 발생하는 문제를 먼저 파악한 뒤 이를 해결하는 데 필요한 중간막 소재를 선택하는 설계 방향을 제안했다.

이번 연구에서 정리한 조건별 중간막 설계 기준은 전고체 리튬금속전지 개발 과정에서 작동 환경에 맞는 중간막 소재를 고르는 판단 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 「Materials-Property Classification of Interlayers for Stabilizing Lithium Metal Interfaces in Sulfide-Based All-Solid-State Batteries」(제1저자 이정훈)라는 제목으로 에너지 소재 분야 국제학술지 《Advanced Energy Materials》(IF 25.5, 2026, JCR 상위 2.5%, 2026)에 게재됐다.

제1저자인 연구팀 나노신소재융합공학과 석사과정 이정훈 씨는 "기존 연구가 새로운 중간막 소재를 개발하는 데 집중했다면, 이번 연구는 왜 어떤 소재는 특정 조건에서 잘 작동하고, 다른 조건에서는 그렇지 않은지를 쉽게 설명할 수 있는 기준을 만들었다는 점에 의미가 있다"며 "향후 전기차, 로봇, 드론 등 실제 산업에 적용할 수 있는 전고체전지를 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

■ 논문 정보

·논문명: Materials-Property Classification of Interlayers for Stabilizing Lithium Metal Interfaces in Sulfide-Based All-Solid-State Batteries

- 공동 1저자: 이정훈(나노신소재융합공학과 석사과정), 고민석(나노신소재융합공학과 박사과정)

- 교신저자: 성재경 교수

·게재지: 《Advanced Energy Materials》

·Journal Link(DOI): https://doi.org/10.1002/aenm.71612 

·사진 설명: 경상국립대 공과대학 신소재공학부(나노신소재융합공학과) 성재경 교수 연구팀(왼쪽부터 석사과정 이정훈 씨, 박사과정 고민석 씨, 성재경 교수)와 황화물계 전고체전지에서 리튬 금속 계면 열화와 인터레이어의 물성–기능 상관관계를 나타낸 모식도