생기원, 전고체 배터리용 황화물계 고체전해질 소재 개발
||2026.04.15
[디지털투데이 석대건 기자] 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 전고체 배터리 핵심 소재인 황화물계 고체전해질의 이온전도도와 공기 안정성을 동시에 높인 소재를 개발했다고 15일 밝혔다. 생기원 저탄소에너지그룹 김태효 수석연구원 연구팀은 기존 소재 대비 이온전도도를 77배 향상시키고, 유독성 황화수소 발생량을 40% 줄이는 데 성공했다.
고체전해질은 전고체 배터리 내부에서 양극과 음극 사이에 리튬이온이 이동하는 통로 역할을 하는 소재다. 이 가운데 황화물계는 이온전도도가 높아 유력한 후보 소재로 꼽힌다.
연구팀은 황화물계 고체전해질 중 육리튬 인 오황화 아이오다이드(Li₆PS₅I)에 주목했다. 해당 물질은 제조 원가가 낮고, 리튬 금속과 접촉 시 아이오딘화 리튬(LiI) 나노 보호층을 형성해 셀 안정성을 높이는 장점이 있다. 다만 황화물계 고체전해질 중 상대적으로 이온전도도가 낮고 수분에 노출될 경우 유독성 황화수소가 발생하는 단점이 있었다.
이에 Li₆PS₅I에 역할이 서로 다른 세 가지 원소, 즉 염소(Cl)·안티몬(Sb)·산소(O)를 조합해 이 문제를 해결했다. 염소는 소재 내부 원자 배열을 바꿔 리튬이온 이동을 원활하게 하고, 안티몬과 산소는 수분에 강한 결합 구조를 만들어 소재 분해와 황화수소 발생을 억제한다.
연구팀은 세 원소의 비율을 단계적으로 조절하며 다양한 조성을 비교·검증한 끝에 이온전도도와 구조 안정성의 균형이 최적인 조성을 도출했다. 실험 결과 개발 소재의 이온전도도는 1.158mS/cm로 기존 대비 77배 높아졌다. 상대습도 30% 환경에서는 황화수소 발생량이 40% 감소해 수분 저항성이 개선됐다. 또 상대습도 50% 환경에서 24시간 노출했을 때 기존 소재는 진흙처럼 변질된 반면, 개발 소재는 고체 상태를 유지했다.
리튬 금속과의 안정성도 향상됐다. 배터리 내부 합선 직전까지 버티는 한계 전류 값이 기존 대비 86% 높아졌으며, 리튬 금속과 맞닿은 상태에서 2,000시간 이상 안정적으로 작동하는 것이 확인됐다고 전했다.
연구팀은 소재 설계를 넘어 압력 셀을 조립해 사이클 성능까지 검증했다. 개발 고체전해질을 적용한 전고체 전지의 초기 방전용량은 158.4mAh/g으로, 기존 Li₆PS₅I 기반 전지(134.5mAh/g)보다 18% 향상됐다. 충·방전 100회 반복 내구성 시험에서도 안정적 작동이 확인됐다.
김태효 수석연구원은 "황화물계 고체전해질에서 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 소재 개발 가능성을 확인한 성과"라며 "국내 소재·부품·장비 기업으로의 기술 이전을 통해 전고체 배터리 상용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다. 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 게재됐다.
