신라대 김태윤 박사과정생

신라대학교(총장 허남식)는 소방안전학과·에너지소재공학과 박상문 교수 연구팀이 화재 안전성을 높일 수 있는 차세대 전고체 이차전지용 산화물 고체전해질 소재를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지인 미국화학회(ACS)의 ‘ACS Applied Energy Materials’ 9월 표지 논문(Front Cover Article)에 선정 게재됐다.

이번 연구는 지자체-대학 협력기반 지역혁신사업(RIS)의 지원을 받아 수행됐으며, 김태윤 박사과정생이 제1저자로 연구를 주도했다. 신라대 졸업생으로 현재 UNIST에 근무 중인 양성준 박사가 공동연구자로 참여했으며, 박상문 교수는 교신저자로 연구를 이끌었다.

신라대 박상문 교수

연구팀은 가연성 유기 액체전해질을 사용하는 기존 리튬이온전지의 화재 및 안전성 문제와 황화물계 고체전해질의 수분 민감성 및 화학적 안정성 문제를 보완할 수 있는 산화물계 고체전해질을 개발했다.

전고체전지는 기존 리튬이온전지의 액체전해질을 고체전해질로 대체한 차세대 이차전지로, 화재 위험을 낮추고 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기자동차(EV)와 대규모 에너지저장장치(ESS) 등 미래 에너지 산업의 핵심 기술로 주목받고 있다.

특히 산화물계 고체전해질은 높은 열적·화학적 안정성을 갖고 있어 안전성이 중요한 전고체전지의 핵심 소재로 평가받고 있다. 다만 고체전해질과 전극 사이의 계면저항으로 인해 리튬 이온의 이동과 고속 충·방전 성능을 높이는 것이 주요 연구 과제로 꼽힌다.

연구팀은 개발한 고체전해질을 실제 리튬전지에 적용해 전기화학적 성능을 검증하고, 고체전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 경로와 이온전도 향상 원리를 이론적 분석을 통해 규명했다.

이를 통해 단순한 소재 개발을 넘어 고체전해질의 결정구조와 리튬 이온 이동 특성 간의 상관관계를 제시했으며, 안전성과 고성능을 동시에 요구하는 차세대 전고체전지 개발 가능성을 높였다는 점에서 의미가 있다.

또한 연구팀은 선행연구를 바탕으로 더욱 향상된 성능을 갖는 전고체전지용 소재를 지속적으로 개발하고 있으며, 관련 기술에 대한 국내외 특허 출원도 진행하고 있다.

이번 연구 성과는 향후 전기자동차와 에너지저장장치뿐만 아니라 높은 안전성과 신뢰성이 요구되는 다양한 산업 분야의 차세대 이차전지 기술 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

박상문 교수는 “산화물계 고체전해질의 높은 안전성을 유지하면서도 전고체 이차전지의 고속 충·방전 성능을 향상시키는 것이 중요한 연구 과제”라며 “현재 5C 수준의 고속 충·방전에서도 안정적으로 작동할 수 있는 산화물 전고체전지용 소재와 계면 기술을 개발하기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다”고 말했다.