KETI, 무음극 전고체전지 한계 넘은 원천소재 기술 개발

양이온 조성 다변화로 전지 성능·수명 동시 개선

전지 충전시 '은 나노입자' 자가 형성 메커니즘 규명

'네이처 커뮤니케이션스' 논문 게재 성과

황화물계 전고체전지용 고체전해질 원천소재.ⓒ전자기술연구원(KETI)

한국전자기술연구원(KETI)은 황화물계 전고체전지용 고체전해질 원천소재를 개발하고 이를 바탕으로 무음극 전고체전지 기술 구현에 성공했다고 7일 밝혔다. 이번 성과는 박혜선 중앙대 융합공학부 교수, 최창욱 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 이뤄낸 것이다.

이 기술의 핵심은 초기 충전 시 전지 내부의 고체전해질 이중층에서 은(Ag) 금속 성분이 자연스럽게 나와 리튬이 고르게 도금되도록 유도함으로써 덴드라이트(가시처럼 자라는 리튬 결정체)와 단락 문제를 막아주는 원리다.

전고체전지는 액체 대신 고체 상태의 전해질을 사용하는 차세대 배터리로, 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 약 30% 이상 높고 안전성도 뛰어나 전기차 등 고성능 산업 분야에서 주목받고 있다.

특히 무음극 전고체전지는 1000Wh/ℓ 이상의 높은 에너지 밀도가 가능한 차세대 기술로 평가받기 때문에 핵심 기술 선점을 위한 글로벌 경쟁이 치열하다.

하지만 무음극 전고체전지의 충·방전 시 고체전해질의 낮은 리튬 친화성으로 인해 리튬이 불균일하게 형성되기 쉽다. 이에 따라 전해질층 내의 미세 구멍과 결함이 덴드라이트 성장과 단락을 유발해 무음극 전지의 실현의 기술적 장벽이 돼왔다.

KETI 차세대전지연구센터는 은(Ag)을 도핑한 리튬 아지로다이트(Argyrodite) 고체전해질을 개발했다. 전지 충전 시 은 이온이 전해질 내 기공에서 금속 나노입자 형태로 석출되도록 유도함으로써 리튬 금속이 균일하게 자라날 수 있도록 돕는 기반 구조를 형성하고 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하는 데 성공했다.

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고체전해질 내부에서 은 이온이 이동해 금속 형태로 석출되는 과정을 시각적으로 분석해 기술 메커니즘을 뒷받침했다.

기술 개발을 주도한 최승호 KETI 선임연구원과 조우석 수석연구원에 따르면 이 기술은 기존 고체전해질 합성 양산 공정에 직접 적용이 가능해 대량 생산이 쉽고 별도 보호층이나 추가 공정 없이도 고성능의 무음극 전고체전지를 구현할 수 있어 상용화 가능성이 높다.

이번 연구 결과는 에너지화학 분야의 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF=14.7) 2025년 7월호에 'Silver exsolution from Li-argyrodite electrolytes for initially anode-free all-solid-state batteries'라는 제목으로 게재됐다.

송준호 KETI 차세대전지연구센터 센터장은 "이번 연구 결과는 무음극 전고체전지에 최적화된 고체전해질 원천소재 개발이라는 점에서 의의가 있으며 고체전해질 내 금속 석출 현상을 통해 차세대 전지 구조 설계의 방향성을 제시했다"고 밝혔다.

한편 이 기술은 산업통상자원부, 한국산업기술기획평가원(KEIT)이 지원하는 알키미스트 프로젝트와 국가과학기술연구회의 글로벌TOP전략연구단 지원사업을 통해 개발됐다.