경북대 이지훈 교수팀, 전고체전지 성능·수명 좌우하는 ‘미세구조 균질성’ 규명…차세대 배터리 설계 원리 제시

[아이뉴스24 이창재 기자] 경북대학교 신소재공학과 이지훈 교수 연구팀이 전기차와 에너지저장장치(ESS)의 핵심 기술로 꼽히는 전고체전지(All-solid-state batteries)의 성능과 수명을 결정짓는 핵심 요인을 규명했다고 30일 밝혔다.

차세대 배터리 상용화의 가장 큰 난제로 꼽히던 ‘전극 내부 반응 불균일’ 문제의 원인을 구조적 관점에서 밝혀낸 성과다.

전고체전지는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용해 안전성이 높고 에너지 밀도 향상 가능성이 크지만, 실제 구동에서는 양극층 내부에서 반응이 고르게 일어나지 않아 성능 저하와 조기 열화 문제가 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 초래하는 핵심 원인이 양극 활물질과 고체 전해질의 미세구조적 균질성, 즉 두 물질이 양극층 내부에서 얼마나 균일하게 섞이고 접촉하느냐에 달려 있음을 밝혀냈다.

이지훈 교수팀은 활물질·전해질의 혼합 방식과 배치를 달리한 복합 양극을 제작해 전기화학 성능을 비교 분석했으며, 방사광가속기 기반 다중 스케일 X선 분석 기법을 통해 양극층 내부 반응을 세밀하게 추적했다.

그 결과, 양극 활물질과 고체 전해질의 접촉이 균일할수록 개별 활물질 입자의 충전 상태(State-of-Charge, SoC)가 고르게 유지되고, 특정 영역에서만 발생하는 고체전해질의 산화 분해가 효과적으로 억제되는 것으로 나타났다.

또한 투과 X선 현미경과 X선 흡수 분석을 활용해 개별 입자 수준에서 충전 불균일을 시각화함으로써, 미세구조의 불균질성이 전지 성능 저하로 이어지는 ‘미세구조-열화 인과사슬’을 체계적으로 제시했다.

이지훈 교수는 “전고체전지의 한계를 단순 소재 문제가 아닌 전극 내부 미세환경의 구조적·화학적 균질성 관점에서 접근한 연구”라며 “향후 전기차용 대면적 파우치 전지 등 실사용 환경에서도 안정적인 성능을 확보할 수 있는 설계 지침을 제공할 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업 및 박사과정연구장려금 지원으로 수행됐고, 교신저자는 이지훈 교수, 제1저자는 이주현 박사과정생이다.

연구 결과는 영국왕립화학회(RSC) 발행 국제 저명 학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’ 12월 23일자 온라인판에 게재됐으며, 연구 성과의 중요성을 인정받아 2026년 2월 표지 논문으로 출판될 예정이다.