에너지신소재공학과

[남경완 교수님 연구팀] 화재 없는 전고체전지 '5V 전압 한계' 극복했다

왼쪽 위부터 시계방향으로 손준표 연세대 연구원, 정윤석 교수, 박주현 연구원, 김재승 KAIST 연구원, 서동화 교수, 김해용 동국대 연구원, 남경완 교수. 연세대 제공

국내 연구팀이 화재·폭발 위험이 적은 차세대 전지인 전고체전지의 기술적 장벽이었던 '5볼트(V, 전압의 단위)' 장벽을 넘는 데 성공했다.

연세대는 정윤석 화공생명공학과 교수팀이 남경완 동국대 교수팀, 서동화 KAIST 교수팀과 공동으로 5V 이상 고전압에서도 안정적으로 작동 가능한 전고체전지 설계 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 연구결과는 3일(현지시간) 국제학술지 '네이처 에너지'에 공개됐다.

전기에너지는 전하량과 전압의 곱이다. 전하를 저장하는 전극의 용량과 양극의 전압이 높을수록 전지의 에너지 밀도를 늘릴 수 있다는 뜻이다. 5V 이상의 전압에서 전해질이 불안정해지며 분해되는 현상이 있어 대부분의 전지는 4V 근처가 한계다. 고체 전해질을 사용해 안정성이 뛰어난 전고체전지도 마찬가지다.

정 교수팀은 앞서 2021년과 2023년에 발표한 논문과 특허에서 값비싼 희토류를 쓰지 않는 염화물 기반 고체전해질을 제시했다. 연구팀은 선행 연구에서 개발한 저가 염화물에 불화물을 결합해 새로운 고체전해질 'LiCl–4Li2TiF6'을 설계했다.

개발된 전해질은 5V 이상 고전압에서도 안정적이고 이온이 이동했다. 전기를 생성하는 능력인 이온전도도도 높았다.

고전압을 구현할 수 있는 다양한 스피넬계 양극재 표면에 고체전해질을 보호층으로 적용해 검증한 결과 일반 전극보다 약 10배 두꺼운 1.8mm 고에너지밀도 전극, 상용화 수준에 가까운 파우치형 전고체전지에서 안정성과 출력 특성이 모두 우수했다. 정 교수는 "최근 제기된 황화물계 고체전해질 안전성 우려의 돌파구라는 점도 큰 의의"라고 밝혔다.

연구팀은 전해질의 구조를 정밀 분석해 성능이 향상된 메커니즘도 상세히 규명했다. 고체전해질 표면에 형성된 고농도의 리튬 삽입 불화물 구조가 이온전도성 향상에 핵심 역할을 하는 것으로 나타났다. 전극과 전해질 계면에서 전기화학적 열화 현상을 억제해 전고체전지에서 가장 큰 걸림돌로 여겨졌던 계면 불안정성 문제를 효과적으로 해결했다는 설명이다.

정 교수는 "단순한 신소재 개발을 넘어 고전압 전고체전지 구현을 위한 설계 패러다임을 제시했다"며 "전고체전지의 상용화를 가속할 수 있는 핵심 기반 기술"이라고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41560-025-01865-y

<출처>

- https://n.news.naver.com/mnews/article/584/0000034828?sid=105