▲ 화학연 연구진이 탄성 이온전도 고분자를첨가한 황화물 전해질 막을 보여주고 있다.

국내 연구진이 차세대 전기차 배터리로 주목받는 황화물 전고체전지의 핵심 난제로 꼽혀온 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 소재 기술을 개발하며 고안전성 배터리 상용화에 한 걸음 다가섰다.

한국화학연구원(원장 신석민)은 김동욱 박사 연구팀이 연세대학교 황성주 교수, 성균관대학교 박호석 교수 연구팀과 공동으로 황화물 전고체전지 내부에 탄성 이온전도성 고분자를 적용해 충·방전 과정에서 발생하는 균열과 계면 손상을 줄이고 전지 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

전고체전지는 액체 전해질을 사용하는 기존 리튬이온전지와 달리 고체 전해질을 사용해 화재 위험이 낮다. 특히 황화물계 고체 전해질은 액체 전해질 수준의 높은 이온전도도를 갖춰 급속충전과 고출력 구현에 유리해 글로벌 배터리 기업들이 상용화 경쟁을 벌이고 있다.

다만 황화물 전고체전지는 딱딱한 고체 전해질과 전극이 맞닿아 있는 구조적 특성 때문에 충·방전을 반복할수록 전극의 팽창과 수축이 누적되며 내부 균열이 발생하기 쉽다. 이렇게 생긴 틈은 전자와 이온의 이동을 방해해 전지 수명을 급격히 단축시키며, 이를 보완하기 위해 높은 압력으로 전지를 눌러주는 별도 결합 장치가 필요해 배터리 무게와 제조 비용 증가라는 한계를 안고 있었다.

기존에는 전극과 황화물 전해질 사이에 고무 바인더(NBR)나 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 층을 적용하는 방식이 제시됐지만, 이온전도도 저하와 부산물 생성 등의 문제로 실용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 액체 상태의 전구체를 황화물 전해질 내부에 주입한 뒤 그물망 형태의 탄성 이온전도성 고분자로 경화시켜 전해질 입자 사이 빈 공간을 채우는 방식으로 문제를 해결했다.

탄성 고분자는 건물의 내진장치처럼 충·방전 과정에서 발생하는 기계적 응력을 흡수하고 전극과 전해질을 안정적으로 밀착시켜 균열 발생을 줄인다. 동시에 전해질 내부에 리튬 이온이 이동할 수 있는 추가 경로를 형성해 높은 이온전도성을 유지하도록 돕는다.

실험 결과, 탄성 고분자를 적용한 전지는 리튬 도금·제거 반복 실험에서 2,500시간 이상 안정적으로 구동됐다. 기존 황화물 전해질에서는 충·방전을 반복할수록 계면 손상이 누적됐지만, 탄성 고분자를 적용한 전지는 계면 구조가 안정적으로 유지되는 것으로 확인됐다.

고속 충·방전 성능도 크게 향상됐다. 200회 충·방전 후 용량 유지율은 기존 황화물 전해질 전지가 22% 수준에 그친 반면, 탄성 고분자를 적용한 전지는 75%를 유지해 3배 이상 향상된 성능을 보였다.

또한 기존 황화물 전고체전지가 전극과 전해질의 밀착을 유지하기 위해 높은 압력에서 작동해야 했던 것과 달리, 이번 기술은 상대적으로 낮은 압력 조건에서도 안정적인 성능을 유지했다. 연구팀은 이 기술이 향후 전고체전지 제조 공정 단순화와 생산 비용 절감에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 앞으로 대면적 전지와 실제 전기차 운용 환경에서 추가 성능 검증을 진행할 계획이다.

김동욱 한국화학연구원 박사는“황화물 전고체전지의 핵심 난제인 기계적 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술"이라며 "전고체전지 상용화를 앞당기는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.

신석민 한국화학연구원 원장은 “차세대 전기차와 에너지저장장치용 고안전성 배터리 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 'Energy Storage Materials(IF 20.2)' 2026년 5월호에 게재됐다. 김동욱 한국화학연구원 박사가 교신저자를 맡았으며, 김주형 한국화학연구원·연세대 학생연구원과 배효원 한국화학연구원·성균관대 학생연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 

또한 연구는 한국화학연구원 기본사업과 국가과학기술연구회(NST) 글로벌TOP전략연구단 사업(GTL24011-000)의 지원을 받아 수행됐다.