경북대 신소재공학과 이지훈 교수팀이 차세대 배터리로 주목받는 전고체전지의 성능과 수명을 결정짓는 핵심 요인을 규명했습니다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리로, 화재 위험이 낮고 에너지 밀도를 높일 수 있어 전기차와 에너지저장 장치의 차세대 기술로 꼽힙니다.

하지만 실제 구동 과정에서는 양극층 내부에서 반응이 고르게 일어나지 않아 성능이 떨어지고, 전지가 예상보다 빨리 열화되는 문제가 지속적으로 제기돼 왔습니다.

이 교수팀은 전고체전지에서 성능과 수명을 결정짓는 핵심 요인이 양극층 내부에서 양극 활물질과 고체 전해질이 얼마나 균일하게 분포하고 접촉하느냐, 즉 ‘양극층과 전해질 간의 미세구조 균질성’임을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했습니다.

연구팀은 양극층 내부 미세구조가 전지 반응에 미치는 영향을 규명하기 위해, 양극 활물질과 고체 전해질의 혼합·배치 방식을 달리한 여러 복합 양극을 설계하고 전기 화학 성능 변화를 비교 분석하고 방사광 가속기 기반 다중 스케일 X선 분석 기법을 통해 양극층 내부에서 일어나는 반응을 관찰했습니다.

그 결과, 양극층 내부에서 양극 활물질과 고체 전해질의 계면 접촉이 균일할수록 개별 양극 활물질 입자들의 충전 상태가 균일하게 유지되며, 이로 인해 특정 영역에서만 발생하는 고체 전해질의 산화 분해가 효과적으로 억제된다는 사실을 실험적으로 입증했습니다.

특히, X선 현미경과 X선 흡수 분석을 이용한 개별 양극 활물질 입자 수준에서 충전 불균일의 시각화를 통해, 미시적 불균질성이 전지 성능 열화로 이어진다는 '미세구조 인과 사슬'을 체계적으로 제시했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했습니다.

이지훈 교수는 "이번 연구는 전고체전지 성능 저하의 원인을 단순한 소재 문제를 넘어, 전극 내부 미세환경의 구조적·화학적 균일성 관점에서 규명한 성과"라며, 향후 전기차용 대면적 파우치 전지와 같은 실제 구동 환경에서도 안정적인 전지 반응을 확보할 수 있는 설계 지침을 제공할 것"이라고 밝혔습니다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견 연구 사업과 박사과정 연구 장려금 지원사업으로 수행됐습니다.

교신저자는 이지훈 교수, 제1 저자는 같은 학과 이주현 박사과정생으로, 연구 성과는 영국왕립화학회에서 발행하는 재료과학 분야 국제 저명 학술지인 '머티리얼즈 호라이즌스' 12월 23일 자 온라인에 게재됐으며, 연구 성과의 중요성을 인정받아 표지 논문으로 2026년 2월 중에 출판될 예정입니다.