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AI 데이터센터 시대 '거대한 배터리' 상용화 앞당긴다
폭발적으로 늘어나는 AI 데이터센터 시대를 뒷받침할‘거대한 배터리'의 상용화가 한층 가까워졌다. 우리 대학 연구진이 대용량 배터리의 핵심 소재 생산 시간을 67% 줄이는 공정 기술을 개발해 상용화의 가장 큰 생산 병목을 해결했다.
우리 대학은 생명화학공학과 김희탁 교수 연구팀이 대용량 에너지저장장치(ESS)의 유력 후보인 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)의 핵심 전해질을 빠르고 안정적으로 생산하는 공정을 개발했다고 5일 밝혔다.
최근 24시간 끊임없이 가동되는 AI 데이터센터가 급증하면서 태양광과 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 대량으로 저장했다가 필요할 때 안정적으로 공급하는 대용량 ESS의 중요성이 커지고 있다.
특히 바나듐 레독스 흐름전지는 화재 위험이 거의 없고, 전해질을 담는 탱크만 크게 만들면 저장 용량도 쉽게 늘릴 수 있어 AI 데이터센터와 재생에너지용 초대형 배터리로 주목받고 있다. 그러나 배터리의‘연료' 역할을 하는 바나듐 전해질을 최적 상태(V3.5+)로 만드는 과정이 오래 걸리고 비용도 많이 들어 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.
기존 공정은 먼저 화학적 환원(환원제를 이용해 바나듐 이온이 전자를 얻도록 하는 화학 반응)으로 전해질을 만든 뒤, 전기화학적 환원(전기를 흘려 바나듐 이온의 전자 상태를 원하는 수준으로 조절하는 공정)을 거쳐 최종 전해질을 생산했다. 그러나 마무리 단계인 전기화학적 환원은 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 공정으로, 대량 생산과 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.
연구팀은 화학 반응으로 전해질을 만드는 과정이 고속도로를 달리다 갑자기 병목 구간에서 차량이 막히는 것처럼, 특정 단계에서 반응 속도가 급격히 느려진다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 바나듐 전해질이 배터리 구동에 최적화된 상태(V3.5+)로 변해가는 중간 단계인 평균 산화수(바나듐 이온이 전자를 잃은 정도를 나타내는 값)가 약 +4.1인 지점이 바로 그 병목 구간이었다.
연구팀은 이 병목 구간에서 시간이 오래 걸리던 기존의 전기화학적 환원 공정 대신, 백금-탄소(Pt/C) 촉매를 이용한 촉매 환원 공정을 적용하도록 생산 공정을 설계했다. 마치 자동차가 정체된 도로에서 더 빠른 우회도로를 이용하듯, 가장 시간이 오래 걸리던 마지막 공정만 더 효율적인 방식으로 바꾼 것이다.
그 결과 바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)에서 전기 에너지를 저장하는 핵심 소재인 V3.5+전해질의 생산 시간이 기존보다 67% 단축됐다. 또한 공정 중 남아 배터리 성능을 떨어뜨릴 수 있는 잔류 옥살산(불순물)도 함께 제거됐으며, 같은 촉매를 2,500회 이상 반복 사용해도 성능 저하 없이 안정적으로 전해질을 생산할 수 있음을 확인해 실제 산업 현장에서도 활용 가능성을 입증했다.
김희탁 교수는 "이번 연구는 대용량 배터리 상용화의 가장 큰 숙제였던 전해질 생산 과정을 반응공학적으로 정밀 분석해 새롭게 설계한 성과”라며 "촉매가 전해액 환경에서 손상되지 않고 안정적으로 작동하는 조건을 과학적으로 규명해 산업 현장의 생산 병목을 해결한 만큼 대용량 에너지저장 기술의 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 석경화 박사과정이 제1저자로 연구를 주도했으며, 연구 결과는 에너지 분야 세계적 권위의 국제학술지인‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 5월 7일 온라인 게재됐다. 특히 연구의 학술적 중요성을 인정받아 34호(Issue 34)의 표지논문으로 선정됐으며, 해당 호는 9월 초 온라인 공개될 예정이다.
※ 논문명 : Streamlined V3.5+ Eectrolyte Production by Leveraging Chemical and Catalytic Reductions, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.71029, ※ 저자 정보 : 석경화 (KAIST, 제1 저자), 강민성 (KAIST, 제2 저자) 및 김희탁 (KAIST, 교신저자)
한편 이번 연구는 롯데케미칼의 지원을 받아 수행됐다.
2026.08.05 조회수 929 -
전기차 배터리 화재 막는 초정밀 검사기술 개발
전기차 배터리 화재를 예방하고 안전성을 높일 초정밀 검사기술이 개발됐다. 우리 대학 연구진이 열폭주의 원인이 될 수 있는 배터리 전극의 미세한 두께 불균일을 배터리를 뜯거나 손상시키지 않고도 머리카락 굵기의 약 1만분의 1 수준까지 구분하는 기술을 개발했다. 생산 단계에서 눈에 보이지 않는 불량을 미리 찾아내 배터리의 안전성과 품질을 높일 것으로 기대된다.
우리 대학은 기계공학과 김영진 교수 연구팀이 빛과 전파의 중간 영역에 있는 전자기파인 테라헤르츠파(THz, Terahertz Wave)로 배터리 전극 내부의 정보를 얻고, 광주파수빗(Optical Frequency Comb, 빛의 주파수를 자의 눈금처럼 일정하게 나눠 초정밀 측정의 기준으로 활용하는 기술)으로 이를 정밀하게 읽어내는 기술을 결합해, 리튬이온배터리 전극의 두께를 비접촉·비파괴 방식으로 머리카락 굵기의 약 1만분의 1에 해당하는 미세한 두께 차이까지 측정할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
전기차에 많이 쓰이는 리튬이온배터리의 전극은 전기가 흐르는 핵심 부품이다. 전극의 두께가 아주 조금만 달라도 충·방전 과정에서 전류가 특정 부분에 집중돼 열이 발생할 수 있다. 이 열이 계속 쌓이면 열폭주(Thermal Runaway, 배터리 내부 온도가 급격히 상승하면서 화재나 폭발로 이어지는 현상)가 일어날 수 있어, 배터리 제조 과정에서는 전극의 두께를 균일하게 관리하는 것이 매우 중요하다.
하지만 기존 검사 기술은 생산현장에서 활용하는 데 한계가 있었다. X선 컴퓨터단층촬영(CT)은 내부를 자세히 확인할 수 있지만 검사 시간이 오래 걸려 빠른 생산라인에 적용하기 어렵다. 초음파 기반 음향현미경은 시료에 액체를 접촉시켜야 하고, 레이저 변위센서는 빠르게 측정할 수 있지만 전극 내부까지 정밀하게 분석하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 문제를 광주파수빗과 테라헤르츠파를 결합해 해결했다. 먼저 테라헤르츠파를 배터리 전극에 쏘아 내부에서 여러 번 반사되며 생기는 신호를 얻고, 광주파수빗을 기준으로 이 신호를 초정밀하게 분석해 전극의 두께를 계산했다. 이를 통해 배터리를 손상시키지 않고도 내부를 나노미터 수준까지 정밀하게 측정할 수 있었다.
이번 기술의 핵심은 테라헤르츠파가 전극의 앞면과 뒷면 사이를 여러 번 왕복하며 만들어내는 일정한 간격의 간섭무늬인 파브리-페로(Fabry-Pérot) 간섭을 이용한 것이다. 마치 자의 눈금을 읽어 길이를 재듯, 연구팀은 이 간섭무늬를 광주파수빗을 기준으로 정밀하게 분석해 전극의 두께를 계산했다.
그 결과 별도의 보정(Calibration, 측정 오차를 줄이기 위해 기준값을 맞추는 과정) 없이도 전극의 두께는 물론 복소 굴절률(Complex Refractive Index, 빛이 물질을 얼마나 잘 통과하고 얼마나 흡수되는지를 나타내는 소재의 광학적 특성)까지 한 번에 측정하는 데 성공했다.
연구팀은 사람 머리카락 한 올과 비슷한 두께인 50~150마이크로미터(㎛)의 배터리 전극을 대상으로 기술을 검증했다. 단 0.2초의 짧은 측정만으로도 머리카락 굵기의 약 1,400분의 1에 해당하는 미세한 두께 차이(음극 70.1나노미터, 양극 465.5나노미터)까지 측정했으며, 이는 빠르게 움직이는 배터리 생산라인에서도 활용할 수 있는 수준이다.
측정 시간을 25.6초로 늘리자 정밀도는 더욱 높아졌다. 음극은 머리카락 굵기의 약 1만분의 1에 해당하는 7.8나노미터(nm)까지 구분할 수 있었고, 양극도 25.2나노미터까지 측정했다. 이는 기존 시간영역 분석 방식보다 최대 100배 높은 정밀도로, 눈으로는 전혀 확인할 수 없는 미세한 두께 차이까지 찾아낼 수 있는 수준이다.
이번 기술은 단순히 한 지점의 두께만 측정하는 데 그치지 않고 전극 전체의 두께를 3차원으로 확인할 수 있다. 또한 생산 과정에서 두께가 조금씩 변하는 모습도 실시간으로 추적할 수 있으며, 전극이 약 45도 기울어진 상태에서도 정확하게 측정할 수 있어 빠르게 움직이는 실제 배터리 생산라인에도 적용할 수 있음을 확인했다.
이번 연구는 배터리를 분해하거나 손상시키지 않고도 생산 과정에서 눈에 보이지 않는 미세한 불량을 찾아낼 수 있는 새로운 검사기술을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 앞으로 리튬이온배터리는 물론, 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 차세대 배터리인 전고체 배터리(All-solid-state Battery) 생산공정에서도 불량을 조기에 찾아내 배터리의 안전성과 품질을 높이고 더욱 안정적인 생산을 가능하게 하는 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.
김영진 교수는 “이번 기술은 전극의 두께와 소재 특성을 별도의 보정 없이 동시에 측정할 수 있는 통합형 계측 플랫폼”이라며 "차세대 리튬이온배터리뿐 아니라 전고체 배터리 생산라인의 실시간 품질관리를 위한 핵심 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 KAIST 기계공학과 강구선 박사(現 한국생산기술연구원)이 제1저자로, 김영진 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 10일 게재됐다.
※ 논문명: Nanometre-precision terahertz interferometry for battery electrode metrology, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-74193-8
이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 RS-2024-00401786, RS-2025-00523273, RS-2025-25455397 및 NRF-2022M1A3C2069728 과제, 과학기술정보통신부(MSIT) 재원으로 과학기술사업화진흥원의 지원(2710107298), 그리고 대한민국 방위사업청(DAPA)의 지원(KRIT-CT-22-040)을 받아 수행되었다.
2026.07.23 조회수 1258 -
산소 반응 마음대로 조절하는 차세대 촉매 원천기술 개발
배터리와 연료전지, 친환경 화학 공정의 성능을 높이기 위해서는 산소를 원하는 방식으로 반응시키는 기술이 중요하다. 우리 대학 연구진이 산소 반응에서 전자가 이동하는 경로를 선택적으로 제어할 수 있는 새로운 분자 시스템을 개발했다. 차세대 친환경 촉매와 에너지 기술의 핵심 원천기술이 될 것으로 기대된다.
우리 대학은 화학과 황승준 교수 연구팀이 산소 반응을 원하는 방향으로 조절하는 새로운 분자 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 저마늄(Germanium)과 전자를 저장하고 전달하는 분자 구조를 결합해, 산소 반응에서 전자가 이동하는 방식을 원하는 대로 선택할 수 있는 원리를 처음으로 규명했다.
산소 반응을 제어하는 촉매는 지금까지 대부분 철, 코발트, 니켈 등 여러 전자를 자유롭게 주고받을 수 있는 전이금속을 이용해 개발돼 왔다. 반면 저마늄은 규소와 같은 계열에 속하는 주족 원소(주기율표에서 전이금속을 제외한 대표 원소)로, 여러 전자가 동시에 이동하는 복잡한 반응을 구현하기 어려운 것으로 알려져 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 저마늄과 전자를 저장하고 전달하는 분자구조인 ‘산화·환원 활성 리간드 (Redox-active Ligand, 전자를 저장하거나 전달하는 분자 구조)’를 결합했다.
산소는 반응할 때 전자가 2개 이동하는지, 4개 이동하는지에 따라 만들어지는 물질과 반응 결과가 달라진다. 대표적으로 2전자 반응에서는 과산화수소가, 4전자 반응에서는 물이 생성된다. 따라서 필요한 목적에 따라 2전자 반응과 4전자 반응을 선택적으로 제어하는 기술은 배터리와 연료전지, 친환경 촉매 개발의 핵심 과제로 꼽혀 왔다.
이번 연구는 철이나 코발트 같은 전이금속에서 주로 가능하다고 여겨졌던 2전자·4전자 반응을 저마늄과 같은 주족 원소에서도 구현할 수 있음을 처음으로 보여준 성과다. 연구팀은 하나의 분자 시스템 안에서 2전자 반응과 4전자 반응을 필요에 따라 선택적으로 유도할 수 있음을 입증했다. 이는 앞으로 전이금속에 의존하던 촉매를 다양한 원소를 활용해 설계할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다.
또한 연구팀은 반응 과정에서 잠시 생성됐다가 사라지는 2전자 산화 상태의 저마늄 중간체를 안정적으로 분리하는 데도 성공했다. 이 중간체는 하나의 저마늄 원자가 전자를 주는 역할과 받는 역할을 모두 수행하는 매우 드문 특성을 보여, 이러한 반응이 일어나는 원리를 이해하는 중요한 단서를 제공했다.
연구팀은 이번 기술의 실제 활용 가능성도 확인했다. 개발한 저마늄 복합체는 상온에서 빛을 사용하지 않고도 염소나 브로민 같은 할로겐 원자가 붙은 유기화합물에서 할로겐을 제거해, 의약품과 플라스틱 등 다양한 화학제품의 원료인 ‘알켄(탄소와 탄소가 이중결합으로 연결된 유기화합물)’을 다시 만들 수 있음을 입증했다. 이는 높은 온도나 복잡한 공정 없이도 유용한 화학 원료를 보다 친환경적이고 에너지 효율이 높은 방식으로 생산할 수 있는 가능성을 보여준다.
황승준 교수는 "이번 연구는 전이금속에 의존하던 촉매 반응을 저마늄과 같은 주족 원소로도 구현할 수 있음을 보여준 성과”라며 "앞으로 배터리와 연료전지의 성능을 높이는 것은 물론, 보다 친환경적이고 효율적인 화학공정을 구현하는 차세대 촉매 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 화학과 김성규·오진록 박사후연구원과 POSTECH 화학과 최대의 석·박사통합과정생이 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 Chem에 7월 6일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Germanium ligand redox cooperativity: A key to ambiphilicity and switchable two- and four-electron transfer, DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103127
이번 연구는 한국연구재단 기초연구실(BRL, Basic Research Laboratory) 지원사업, 학문후속세대 박사과정생 연구장려금 지원사업, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.07.22 조회수 851 -
배터리·수소연료전지 성능 높이는 새로운 촉매 설계 기술 개발
배터리와 수소연료전지의 성능은 높이고 에너지 손실은 줄일 수 있는 새로운 촉매 설계 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
우리 대학 화학과 황승준 교수팀은 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 류재윤 교수팀과의 공동연구를 통해 배터리와 연료전지 내부에서 전기를 만드는 핵심 반응의 효율을 높일 수 있는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다고 1일 밝혔다.
촉매는 화학 반응이 더 빠르고 효율적으로 일어나도록 돕는 물질이다. 배터리나 연료전지에서는 전기를 만드는 반응을 원활하게 해주는 역할을 한다. 촉매는 보통 가운데 금속과 그 주변을 둘러싼 분자 구조로 이루어져 있다.
기존 연구에서는 반응 성능을 높이기 위해 금속 종류를 철(Fe) 대신 코발트(Co)나 니켈(Ni)로 바꾸거나, 금속 주변의 분자 구조(리간드)를 새롭게 설계하는 방식이 주로 사용됐다. 쉽게 말해, 촉매 자체의 재료나 형태를 바꿔 더 잘 반응하도록 만드는 방식이다. 반면 이번 연구는 촉매 자체를 크게 바꾸지 않고도, 촉매 주변의 전기적 환경만 조절해 성능을 높였다는 점에서 차별성이 있다.
쉽게 비유하면, 이번 연구는 ‘요리 도구 자체를 바꾸는 대신, 주방 환경을 조절해 요리를 더 잘되게 만든 것’에 비유할 수 있다. 기존 촉매 연구는 프라이팬 재질을 바꾸거나 모양을 새롭게 만드는 방식에 가까웠다. 반면 이번 연구는 프라이팬은 그대로 두고, 주변의 온도와 공기 흐름을 정교하게 조절해 음식이 더 잘 익도록 만든 방식이다. 즉, 촉매 자체를 새로 만드는 대신 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 반응이 더 효율적으로 일어나도록 만든 것이 이번 연구의 핵심이다.
연구팀은 촉매 주변에 ‘양이온(+)’을 배치해 아주 작은 전기장을 만들면, 전기를 만드는 데 필요한 반응이 더 안정적으로 일어나도록 유도할 수 있음을 확인했다. 특히 원하는 반응이 일어나는 비율은 기존 12% 수준에서 최대 52%까지 높아졌다.
연구팀은 이를 통해 기존보다 더 적은 에너지로 원하는 반응을 효율적으로 유도할 수 있음을 확인했다. 이는 배터리와 수소연료전지의 효율과 수명, 안정성을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에서 다룬 산소 환원 반응(ORR·산소가 전자를 받아 전기를 만드는 핵심 반응)은 수소차용 연료전지(Fuel Cell·수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생산하는 장치)와 금속-공기 전지(Metal-Air Battery·금속과 공기 중 산소를 이용해 전기를 저장·생산하는 차세대 배터리) 등 차세대 에너지 장치에서 전기를 생산하는 핵심 반응이다.
연구팀은 또한 이번 원리가 이산화탄소(CO₂)나 수소를 다른 유용한 물질로 전환하는 촉매 기술에도 적용될 수 있어, 향후 이산화탄소 저감 기술과 친환경 수소 생산 기술 등 다양한 차세대 에너지 촉매 개발에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.
황승준 교수는 “이번 연구는 촉매 자체의 구조를 바꾸지 않고도 주변의 전기적 환경만으로 반응 특성을 정교하게 제어할 수 있음을 보여준 사례”라며 “차세대 배터리와 연료전지, 친환경 에너지 촉매 기술 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.
POSTECH 화학과 조휘율·강봄 박사과정생과 KAIST 김동영 박사후연구원이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)에 4월 12일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Localized Cation Unlocks Unique Activity–Selectivity Trends in Molecular Oxygen Reduction Catalysis, DOI: pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c18246
주저자 정보: 조휘율(박사과정, POSTECH), 강봄(석박사통합과정, POSTECH), 김동영(박사 후 연구원, KAIST)
한편 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단의 '한우물파기 기초연구' 및 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.06.01 조회수 2031 -
리튬 금속 배터리 ‘망가지는 순간’ 첫 포착...전기차 주행거리 늘릴 핵심 단서
전기차 주행거리와 배터리 수명을 동시에 늘릴 수 있는 핵심 단서가 나왔다. 우리 대학 연구진이 리튬 금속 배터리의 열화가 시작되는 순간을 나노 수준(머리카락 굵기의 약 10만 분의 1)에서 직접 관찰하며, 성능 저하의 근본 원인을 밝혀냈다. 차세대 배터리 상용화를 앞당길 중요한 전환점으로 평가된다.
우리 대학은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 차세대 배터리 핵심 부품인 리튬 금속 음극(Lithium Metal Anode)의 열화 메커니즘을 규명했다고 10일 밝혔다.
리튬 금속은 기존 배터리보다 에너지 밀도가 월등히 높아 ‘꿈의 배터리 소재’로 불리지만, 충·방전을 반복할수록 성능이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 꼽혀왔다. 특히 리튬이 불규칙하게 쌓이거나 떨어져 나가며 전기적으로 단절된 ‘죽은 리튬(dead lithium)’이 형성되면 배터리 성능 저하는 물론 안전성 문제까지 초래할 수 있다.
연구팀은 배터리 내부를 실시간으로 관찰할 수 있는 실시간 전기화학 원자힘현미경(in situ EC-AFM)을 활용해 리튬이 쌓이고(도금) 사라지는(탈리) 전 과정을 직접 추적했다. 그 결과, 리튬 반응이 표면 전체에서 균일하게 일어나는 것이 아니라 특정 위치에서 선택적으로 발생한다는 사실을 확인했다.
특히 표면이 거칠거나 구멍이 많은 다공성(porous) 영역에서는 리튬이 떨어져 나갈 때 빈 공간이 쉽게 형성됐고, 이로 인해 리튬이 전기적으로 고립되는 ‘죽은 리튬’이 만들어지는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 배터리 성능을 급격히 저하시키는 직접적인 원인으로 작용한다.
이번 연구는 리튬 금속 배터리가 어디에서, 어떻게 손상되는지를 실험적으로 규명했다는 데 의미가 있다. 더 나아가 리튬이 처음 형성되는 ‘초기 표면 형상(initial morphology)’이 배터리의 장기 수명을 좌우하는 핵심 변수임을 입증했다.
이에 따라 향후 리튬이 형성되는 표면을 균일하고 정밀하게 제어할 경우, 배터리 수명과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 전기차 주행거리 증가와 장수명 배터리 개발을 동시에 실현할 수 있는 설계 방향을 제시한 셈이다.
홍승범 교수는 “이번 연구는 배터리 성능 저하의 원인을 나노 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “보다 오래가고 안전한 차세대 배터리 개발을 위한 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 신소재공학과 김성현 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 신소재·화학·화학공학 분야의 국제적 권위 학술지인 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 2026년 2월 24일자로 게재되었고, 표지논문으로 선정되었다.
※ 논문 제목: Spatially Selective Lithium Plating and Stripping in Lithium Metal Anodes, DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c00122
한편, 본 연구는 LG에너지솔루션과 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 미래개척융합과학기술개발사업(RS-2023-00247245) 지원을 받아 수행됐다.
2026.05.11 조회수 1889 -
배터리 기술로 공기 중 탄소 제거...‘지구 청소’ 기술 세계서 인정
우리가 숨 쉬는 공기에서 이산화탄소를 직접 빨아들이는 ‘공기 청소 기술’이 현실로 다가왔다. 우리 대학 연구진이 전기차 배터리 제조 방식에서 착안한 고효율 ‘직접공기포집(Direct Air Capture, DAC)’기술로, 세계 최고 권위의 탄소 제거 대회에서 최종 선정되는 성과를 거뒀다. 이번 기술은 높은 비용과 낮은 효율이라는 한계를 넘어, 탄소 제거 기술의 상용화 가능성을 크게 앞당길 것으로 기대된다.
우리 대학은 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 개발한 직접공기포집(DAC) 기술이 탄소 제거 기술 확산을 지원하는 글로벌 비영리 단체 오픈에어(OpenAir)가 주최하는 ‘2026 탄소 제거 챌린지(Carbon Removal Challenge)’에서 전 세계 상위 4개 팀에 선정됐다고 24일 밝혔다.
이 대회는 차세대 탄소 제거 기술의 실용성과 확장성을 평가하는 세계적인 경연으로, 단순한 연구 성과를 넘어 실제 공정에 적용 가능한지와 대규모 확산 가능성을 중점적으로 평가한다. 올해는 전 세계 30여 개 대학에서 40여 개 팀이 참가했으며, KAIST를 포함해 단 4개 팀(KAIST, 미시간대학교, 러트거스대학교(Rutgers), 코넬-프린스턴-컬럼비아 연합팀)만이 최종 선정됐다.
직접공기포집 기술은 대기 중 이산화탄소를 줄일 수 있는 혁신적 방법으로 평가받아 왔지만, 낮은 효율과 높은 비용이 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘전기차 배터리’제조 방식에서 해답을 찾았다.
연구팀은 배터리 전극 제조에 사용되는 ‘건식 공정(Dry process)’을 DAC 기술에 적용했다. 즉, 액체를 쓰지 않고 분말을 그대로 눌러 단단한 필름으로 만드는 방식이다. 이 방법은 탄소를 흡수하는 물질을 빈틈없이 촘촘하게 채울 수 있어, 더 많은 이산화탄소를 한 번에 붙잡을 수 있게 해준다.
이를 통해 탄소 흡착 소재의 함량을 최대 97 wt%*까지 끌어올리며, 기존보다 훨씬 많은 이산화탄소를 포집할 수 있는 구조를 구현했다. 이는 스펀지를 더 촘촘하게 만들어 더 많은 물을 흡수하게 하는 것과 같은 원리다. 전기차 배터리의 효율을 높이는 기술이 지구를 청소하는 기술로 변신한 셈이다.
*wt%(Weight percent): 전체 무게 중 특정 성분이 차지하는 비율
포집된 탄소를 다시 분리해내는 재생 과정에서도 성능을 획기적으로 개선했다. 연구팀은 ‘전기 저항 가열(Joule heating)’ 방식을 도입해 전기를 흘려 내부에서 즉시 열을 발생시키는 구조를 구현했다. 이는 전기를 넣으면 바로 뜨거워지는 토스터기처럼, 내부에서 빠르게 열을 만드는 방식이다. 이로 인해 단 1분 만에 이산화탄소를 빠르게 방출하고 재사용이 가능해졌으며, 전기차 냉각 시스템을 접목해 열을 식히는 시간까지 약 60% 단축했다. 그 결과 전체 공정 속도와 생산성이 크게 향상됐다.
고동연 교수는 “이번 성과는 탄소포집 기술의 혁신성과 실제 적용 가능성을 동시에 인정받은 결과”라며 “향후 글로벌 협력을 통해 기술 상용화와 확산을 적극 추진할 계획”이라고 밝혔다.
연구팀은 오는 5월 20일 미국 뉴욕에서 열리는 글로벌 컨퍼런스 ‘2026 카본 언바운드(Carbon Unbound 2026)’에 초청돼 수상을 진행하고, 전 세계 전문가와 투자자들을 대상으로 기술을 소개할 예정이다.
이번 연구는 KAIST 박인준 박사과정생이 주도했으며, 김시은, 김준성, 박인환, 이민형, 강주연 학생과 카롤리네 헤비쉬(Karoline L. Hebisch), 천무진 박사가 참여했다.
한편, 본 연구는 Saudi Aramco-KAIST 이산화탄소연구센터의 지원을 받아 수행됐다.
2026.04.27 조회수 3698 -
공기에도 강하고 고속 충전 가능한 ‘꿈의 배터리’ 전고체 배터리 소재 개발
전기차뿐 아니라 로봇, 도심항공교통(UAM) 등 다양한 분야에서 화재 위험이 낮은 ‘꿈의 배터리’ 전고체 배터리에 대한 기대가 커지고 있다. 우리 대학 연구진이 공기에 약하고 성능이 낮았던 고체 전해질의 한계를 동시에 해결할 새로운 설계 원리를 제시했다. 이번 기술은 배터리 안전성과 충전 속도를 함께 높일 수 있어 차세대 전고체 배터리의 실용화 가능성을 제시한 것으로 주목된다.
우리 대학은 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 동국대(총장 윤재웅), 연세대(총장 윤동섭), 충북대(총장 직무대행 박유식) 연구팀과의 공동연구를 통해 공기 노출 환경에서도 구조적 안정성을 유지하면서 이온전도도를 획기적으로 높인 전고체 배터리용 고체 전해질 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
액체 전해질을 사용하는 기존 리튬 이온 배터리와 달리, 전고체 배터리는 화재 위험이 낮은 차세대 배터리로 주목받고 있다. 이 가운데 할라이드계 고체 전해질은 염소(Cl), 브롬(Br)과 같은 할로겐 원소를 포함한 물질로, 이온전도도가 높아 성능 면에서 유리하다. 그러나 공기 중 수분에 매우 취약해 쉽게 성능이 저하되는 단점이 있어 실제 제조와 취급이 까다로운 소재로 알려져 있다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘산소 앵커링(Oxygen Anchoring)’이라는 새로운 구조를 도입했다. 이는 전해질 내부에 산소를 안정적으로 결합시켜 구조를 단단하게 만드는 방식으로, 이 과정에서 텅스텐 원소가 핵심적인 역할을 한다.
그 결과, 해당 전해질은 공기 노출 환경에서도 구조가 쉽게 붕괴되지 않고 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.
또한 연구팀은 안정성뿐 아니라 배터리 성능도 함께 개선했다. 전해질 내부 구조 변화로 리튬 이온의 이동 경로가 더 넓고 원활해지면서 이온 이동 속도가 향상됐기 때문이다. 실제로 산소가 도입된 신소재는 기존 지르코늄(Zr) 기반 할라이드계 고체 전해질보다 이온전도도가 약 2.7배 높은 것으로 확인됐다.
이 기술의 또 다른 특징은 특정 소재에 국한되지 않는다는 점이다. 연구팀은 지르코늄(Zr), 인듐(In), 이트륨(Y), 어븀(Er) 기반 등 다양한 할라이드 고체 전해질에 동일한 전략을 적용해 유사한 효과를 확인했다. 이는 다양한 배터리 소재에 적용 가능한 ‘범용 설계 원리’임을 보여준다.
연구팀은 이번 기술이 공기 안정성과 성능을 동시에 갖춘 고체 전해질 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.
서동화 교수는 “이번 연구는 공기 안정성과 이온전도도를 동시에 향상시키는 구조 설계 전략을 통해 다중 성능을 최적화하는 새로운 소재 설계 원리를 제시한 것으로, 향후 전고체 배터리 연구와 공정 개발의 핵심 지표가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 김재승 박사(현 서울대)와 박희주 연구원, 동국대 김해용 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 2026년 3월 6일 자로 게재됐다.
※논문명: Universal Oxychlorination Strategy in Halide Solid Electrolytes for All-Solid-State Batteries, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202506744
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 계산 연구는 국가슈퍼컴퓨팅센터의 자원을 활용해 진행됐다.
2026.04.16 조회수 2464 -
‘꿈의 배터리’ 리튬금속 배터리 상용화 난제 풀었다
전기차 시대가 본격화되면서 더 멀리, 더 오래 달릴 수 있는 배터리에 대한 요구가 커지고 있다. 기존 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 용량 한계를 뛰어넘을 차세대 기술로 리튬금속(Lithium Metal) 배터리가 주목받고 있지만, 충전 과정에서 바늘 모양 결정 ‘덴드라이트’가 자라 수명을 단축시키고 화재 위험까지 높이는 문제가 상용화의 최대 걸림돌로 지적돼 왔다. 한국 연구진이 이 난제를 해결할 핵심 기술을 개발했다.
우리 대학은 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교(총장 김동원) 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 ‘계면 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
계면 불안정성은 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상이다. 이로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성되고, 이는 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어진다. 리튬금속 배터리 상용화를 가로막아 온 근본 원인이다.
연구팀은 배터리 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 ‘지능형 보호막’을 구현했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특징을 갖는다.
마치 교통량에 따라 차로를 조정하는 스마트 교통 시스템처럼, 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어준다. 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 이를 규명했으며, 기존 상용 첨가제보다 훨씬 뛰어난 안정성을 확인했다.
그 결과, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다.
또한 연구팀은 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)을 활용해 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰했다. 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인해 기계적 안정성까지 입증했다.
이번 기술은 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 (LiNixCoyMn1-x-yO2) 등 현재 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극 소재에 사용할 수 있다. 이는 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능해, 산업 전반에 미칠 파급효과가 클 것으로 기대된다.
이번 성과는 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속(12분 내 빠른 충전과 8mA/cm2 이상*의 고전류 구동을 동시 구현) 충전 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고성능 배터리가 필요한 다양한 미래 산업 분야에 활용될 것으로 기대된다.
* 8mA/cm2 이상: 배터리 전극 1cm2 면적당 8mA(밀리암페어)의 전류가 흐르는 수준을 의미한다. 리튬금속 배터리 연구 분야에서는 통상 ~4mA/cm2 만으로도 ‘고전류’ 조건으로 평가되며, 이 조건은 이보다 2배 이상 높은 구동 환경에 해당한다. 이는 전기차의 고속 충전 및 급가속이나 고출력 주행과 같은 실제 사용 조건에 근접한 수준임
최남순 교수는 “이번 연구는 단순한 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과”라며 “고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 최남순 교수, 홍승범 교수, 이정아 연구원, 조윤한 연구원이 공동 제 1 저자로 참여했으며, 재료·에너지 분야 세계적 학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 2월 2일 게재됐다.
※논문 제목: Conjugation-mediated and polarity-switchable interfacial layers for fast cycling of lithium-metal batteries, DOI: http://doi.org/10.1002/inf2.70126
한편, 본 연구는 현대자동차와 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.02.24 조회수 6732 -
끝없는 배터리 실험 줄인다...성능 예측 AI 개발
전기차를 한 번 더 멀리 가게 하고, 스마트폰을 더 오래 쓰게 만드는 힘은 배터리 소재에서 나온다. 그중에서도 배터리의 성능과 수명을 직접 좌우하는 핵심 재료가 바로 양극재다. 배터리 소재 개발에 필요한 수많은 실험을 인공지능이 대신할 수 있다면 어떨까. 우리 대학 연구진이 실험 데이터가 부족한 상황에서도 양극재의 입자 크기와 예측 신뢰도를 함께 제시하는 인공지능(AI) 프레임워크를 개발하며, 전고체 배터리 등 차세대 에너지 기술로의 확장 가능성을 열었다.
우리 대학은 신소재공학과 홍승범 교수팀이 조은애 교수팀과 공동연구를 통해, 실험 데이터가 불완전한 상황에서도 배터리 양극재의 입자 크기를 정확하게 예측하고, 그 결과를 얼마나 신뢰할 수 있는지까지 함께 제공하는 머신러닝 프레임워크를 개발했다고 26일 밝혔다.
배터리 내부의 양극재는 리튬이온 배터리가 에너지를 저장하고 꺼내 쓰게 만드는 핵심 재료다. 현재 전기차 배터리에 가장 널리 사용되는 양극재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)을 혼합한 NCM 계열 금속 산화물로, 배터리의 수명과 충전 속도, 주행 거리, 안전성에 큰 영향을 미친다.
우리 대학 연구진은 이러한 양극재를 이루는 아주 작은 1차 입자의 크기가 배터리 성능을 결정하는 핵심 요소라는 점에 주목했다. 입자가 지나치게 크면 성능이 저하되고, 반대로 너무 작으면 안정성 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 이에 연구진은 입자 크기를 정확하게 예측하고 제어할 수 있는 AI 기반 기술을 개발했다.
기존에는 입자 크기를 파악하기 위해 소결 온도와 시간, 재료 조성 등을 바꿔가며 수많은 실험을 반복해야 했다. 그러나 실제 연구 현장에서는 모든 조건을 빠짐없이 측정하기 어렵고, 실험 데이터가 누락되는 경우도 잦아 공정 조건과 입자 크기 간의 관계를 정밀하게 분석하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 누락된 데이터는 보완하고, 예측 결과는 신뢰도와 함께 제시하는 AI 프레임워크를 설계했다. 이 프레임워크는 화학적 특성을 고려해 빠진 실험 데이터를 보완하는 기술(MatImpute)과, 예측 불확실성을 함께 계산하는 확률적 머신러닝 모델(NGBoost)을 결합한 것이 특징이다.
이 AI 모델은 단순히 입자 크기를 예측하는 데 그치지 않고, 해당 예측을 어느 정도까지 신뢰할 수 있는지에 대한 정보까지 함께 제공한다. 이는 실제로 어떤 조건에서 재료를 합성할지 결정하는 데 중요한 기준이 된다.
실험 데이터를 확장해 학습한 결과, AI 모델은 약 86.6%의 높은 예측 정확도를 보였다. 분석 결과, 양극재 입자 크기는 재료 성분보다도 굽는 온도와 시간 같은 공정 조건의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났으며, 이는 기존의 실험적 이해와도 잘 부합한다.
연구진은 AI 예측의 신뢰성을 검증하기 위해, 금속 성분 비율은 동일한 NCM811(Ni 80% / Co 10% / Mn 10%) 조성을 유지하되 기존 데이터에 포함되지 않은 제조 조건으로 합성한 양극재 시료 4종을 새롭게 제작해 실험을 진행했다. 그 결과, AI가 예측한 입자 크기는 실제 현미경 측정 결과와 거의 일치했으며, 오차는 대부분 머리카락 두께보다 훨씬 작은 0.13마이크로미터(μm) 이하로 나타났다. 특히 AI가 함께 제시한 예측 불확실성 범위 안에 실제 실험 결과가 포함돼, 예측값뿐 아니라 그 신뢰도 역시 타당함이 확인됐다.
이번 연구는 배터리 연구에서 모든 실험을 수행하지 않아도 성공 가능성이 높은 조건을 먼저 찾을 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 배터리 소재 개발 속도를 높이고, 불필요한 실험과 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
홍승범 교수는 “AI가 예측값뿐 아니라 그 결과를 얼마나 신뢰할 수 있는지까지 함께 제시한다는 점이 핵심”이라며, “차세대 배터리 소재를 보다 빠르고 효율적으로 설계하는 데 실질적인 도움이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 신소재공학과 벤 마디카(Benediktus Madika) 박사과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 신소재·화학공학 분야의 국제적 권위 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 2025년 10월 8일자로 게재됐다.
※ 논문 제목: Uncertainty-Quantified Primary Particle Size Prediction in Li-Rich NCM Materials via Machine Learning and Chemistry-Aware Imputation, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202515694>
한편, 본 연구는 벤 마디카, 강채율, 심주성, 박태민, 문정현 연구원과 조은애 교수, 홍승범 교수 연구팀이 수행했으며, 과학기술정보통신부(MSIT) 한국연구재단 미래융합기술파이오니어(전략형) 지원(과제번호 RS-2023-00247245)을 받아 진행됐다.
2026.01.26 조회수 3266 -
비싼 금속 없이 전고체 배터리 성능 한계 돌파
배터리는 스마트폰과 전기차 등 현대 사회의 필수 기술이지만, 화재·폭발 위험과 높은 비용이라는 한계를 안고 있다. 이를 해결할 대안으로 전고체 배터리가 주목받아 왔지만, 안전성·성능·가격을 동시에 만족시키기는 쉽지 않았다. 한국 연구진이 비싼 금속을 추가하지 않고도 구조 설계만으로 전고체 배터리 성능을 단번에 수 배 끌어올리는 데 성공했다.
우리 대학은 소재공학과 서동화 교수 연구팀이 서울대학교(총장 유홍림) 정성균 교수, 연세대학교(총장 윤동섭) 정윤석 교수, 동국대학교(총장 윤재웅) 남경완 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 저비용 원료를 사용하면서도 폭발과 화재 위험이 낮고 성능이 우수한 전고체 배터리 핵심 소재 설계 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.
일반 배터리는 액체 전해질 안에서 리튬 이온이 이동하는 반면, 전고체 배터리는 액체 대신 고체 전해질을 사용한다. 이 때문에 전고체 배터리는 더 안전하지만, 고체 안에서 리튬 이온이 빠르게 이동하도록 만들기 위해서는 값비싼 금속을 쓰거나 복잡한 제조 공정이 필요하다는 문제가 있었다.
연구팀은 전고체 전해질 내부에 리튬 이온이 원활하게 이동할 수 있는 통로를 만들기 위해 산소(O²⁻)와 황(S²⁻)과 같은 ‘이가 음이온’에 주목했다. 이가 음이온은 전해질 내부 구조의 기본 틀에 들어가 결정 구조를 변화시키는 역할을 한다.
연구팀은 저렴한 지르코늄(Zr) 기반 할라이드 전고체 전해질에 이가 음이온을 도입해 내부 구조를 정밀하게 조절하는 기술을 개발했다. 이 설계 원리는 ‘프레임워크 조절 메커니즘’으로, 전해질 내부에서 리튬 이온이 이동하는 통로를 넓히고 이동 과정에서 마주치는 장벽을 낮추는 방식이다. 이를 통해 리튬 이온 주변의 결합 환경과 결정 구조를 조절해, 이온이 더 빠르고 쉽게 이동하도록 했다.
연구팀은 이러한 구조 변화를 확인하기 위해 초고해상도 X-선 산란 분석, 상관거리함수(PDF) 분석, X선 흡수분광(XAS), 컴퓨터 기반 전자 구조 및 확산 모델링(DFT) 등 다양한 정밀 분석 기법을 활용해 원자 수준에서의 변화를 규명했다.
그 결과, 산소나 황을 도입한 전해질에서는 리튬 이온의 이동 성능이 기존 지르코늄 기반 전해질보다 2~4배 이상 향상된 것으로 나타났다. 이는 값싼 재료를 사용하고도 실제 전고체 배터리에 적용할 수 있는 수준의 성능을 구현했음을 의미한다.
구체적으로, 산소(O²⁻)를 도입한 전해질의 상온 이온전도도는 약 1.78 mS/cm, 황(S²⁻)을 도입한 전해질은 약 1.01 mS/cm로 측정됐다. 이온전도도는 전해질 안에서 리튬 이온이 얼마나 빠르고 원활하게 이동하는지를 나타내는 지표로, 수치가 클수록 배터리 성능이 우수함을 뜻하며, 1 mS/cm 이상이면 상온에서 실제 배터리에 적용하기에 충분한 수준으로 평가된다.
서동화 교수는 “이번 연구를 통해 값싼 원료로도 전고체 배터리의 비용과 성능 문제를 동시에 개선할 수 있는 설계 원리를 제시했다”며, “산업적 활용 가능성이 매우 크다”고 말했다. 제1저자인 김재승 연구원은 이번 연구가 전고체 배터리 소재 개발에서 ‘어떤 소재를 쓸 것인가’를 넘어 ‘어떻게 설계해야 하는가’에 대한 방향을 제시한 연구라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 김재승 연구원과 동국대학교 한다슬 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 2025년 11월 27일 자로 게재됐다.
※논문명: Divalent anion-driven framework regulation in Zr-based halide solid electrolytes for all-solid-state batteries, DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65702-2
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터, 한국연구재단, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.
2026.01.07 조회수 5266 -
차세대 무음극 리튬 전지 상용화 난제 풀었다
전기차와 드론, 차세대 고성능 배터리 후보로 주목받아 온 무음극 리튬 금속 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높지만, 짧은 수명 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 우리 대학 연구진이 전해질을 반복적으로 바꿔야 했던 기존 접근에서 벗어나, 전극 표면 설계만으로 배터리 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다.
우리 대학은 생명화학공학과 이진우·임성갑 교수 연구팀이 전극 표면에 두께 15나노미터(nm)의 초극박 인공 고분자층을 도입해, 무음극 금속 전지의 최대 약점인 계면 불안정성 문제를 근본적으로 해결했다고 4일 밝혔다.
무음극 금속 전지는 음극에 흑연이나 리튬 금속 대신 구리 집전체만 사용하는 단순 구조를 갖는다. 이로 인해 기존 리튬이온전지 대비 30~50% 높은 에너지 밀도, 낮은 제조 비용, 공정 단순화라는 장점이 있지만, 초기 충전 과정에서 리튬이 구리 표면에 직접 쌓이며 전해질이 빠르게 소모되고 불안정한 보호막(SEI)이 형성돼 수명이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.
연구팀은 전해질 조성을 바꾸는 대신, 문제가 시작되는 전극 표면 자체를 설계하는 전략을 선택했다. iCVD(개시제 기반 화학증착) 공정을 이용해 구리 집전체 위에 균일한 초박막 고분자층을 형성한 결과, 이 층이 전해질과의 상호작용을 조절해 리튬 이온 이동과 전해질 분해 경로를 정밀하게 제어하는 것으로 나타났다.
기존 전지에서는 전해질 용매가 분해되며 부드럽고 불안정한 유기물 보호막이 형성돼 리튬이 고르게 쌓이지 않고 가시처럼 뾰족한 수지상이 쉽게 자랐다. 반면 이번 연구에서 개발된 고분자층은 전해질 용매와 잘 섞이지 않아, 용매 대신 염 성분의 분해를 유도했다. 그 결과 단단하고 안정적인 무기물 보호막(SEI)이 형성되며 전해질 소모와 과도한 보호막 성장이 동시에 억제됐다.
연구진은 오페란도(operando) 라만 분석과 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 전지 작동 중 전극 표면에 음이온이 풍부한 환경이 형성되고, 이것이 안정적인 무기물 보호막 생성으로 이어진다는 메커니즘을 규명했다.
이번 기술은 전해질 조성 변경 없이 전극 표면에 얇은 층만 추가하는 방식으로, 기존 공정과의 호환성이 높고 비용 부담도 적다. 특히 iCVD 공정은 롤투롤 방식의 대면적 연속 생산이 가능해, 연구실 수준을 넘어 산업적 대량 생산에 적합하다.
이진우 교수는 “이번 연구는 새로운 소재 개발을 넘어, 전극 표면 설계를 통해 전해질 반응과 계면 안정성을 제어할 수 있다는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고에너지 배터리 시장에서 무음극 리튬 금속 전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 이주현 박사과정생과 김진욱 박사후 연구원이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 ‘줄(Joule)’에 2025년 12월 10일 게재됐다.
※ 논문명 : A Strategic Tuning of Interfacial Li+ Solvation with Ultrathin Polymer Layers for Anode-Free Lithium Metal Batteries 저자 정보 : 이주현 (KAIST, 공동 제1 저자), 김진욱 (KAIST, 공동 제1 저자) 및 이진우 (KAIST, 교신저자), 임성갑 (KAIST, 교신저자) 포함 총 18 명, DOI : 10.1016/j.joule.2025.102226
한편, 이번 연구는 KAIST와 LG에너지솔루션이 공동 설립한 ‘프론티어 리서치 랩 (Frontier Research Laboratory)’에서 수행되었으며, 또한 한국연구재단(NRF) 중견연구사업, 산림청(한국임업진흥원) 목재자원의 고부가가치 첨단화 기술개발사업, KAIST 장영실 Fellowship 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
2026.01.05 조회수 3680 -
"좋으라고 넣었는데"...KAIST, 전기차 하이니켈 배터리 성능 저하 원인 밝혀
리튬이온 배터리 중에서도 고에너지형 전기차에 주로 사용되는 하이니켈 배터리는 에너지 밀도가 높지만 성능 저하가 빠르다는 한계를 안고 있다. 우리 대학 연구진은 하이니켈 배터리가 빠르게 망가지는(열화되는) 근본 원인을 세계 최초로 규명하고, 이를 해결할 새로운 접근법을 제시했다.
우리 대학은 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 서동화 교수 연구팀과 함께, 그동안 배터리의 안정성과 수명 향상을 위해 사용돼 온 전해질 첨가제 ‘석시노니트릴(CN4)’이 하이니켈 배터리에서는 오히려 성능 저하를 일으키는 핵심 원인임을 밝혀냈다고 3일 밝혔다.
배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 오가며 전기가 만들어진다. 리튬 이동을 돕기 위해 전해질에는 소량의 CN4가 들어가는데, 연구팀은 두 개의 니트릴(-CN) 구조를 가진 CN4가 하이니켈 양극 표면의 니켈 이온과 지나치게 강하게 달라붙는다는 사실을 컴퓨터 계산으로 확인했다.
니트릴 구조는 탄소와 질소가 삼중 결합으로 묶여 있는, 금속 이온과 잘 달라붙는 ‘갈고리’ 같은 구조다. 이 강한 결합 때문에 양극 표면에 형성돼야 할 보호막 역할의 전기이중층(EDL)이 무너지고, 충·방전 과정에서 양극 구조가 뒤틀리며(얀-텔러 왜곡, Jahn-teller distortion) 심지어 양극 전자까지 CN4로 빠져나가 양극이 빠르게 손상된다.
이 과정에서 새어 나온 니켈 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동해 표면에 쌓이는데, 이 니켈은 전해질을 더 빨리 분해하고 리튬까지 낭비시키는 ‘나쁜 촉매’처럼 작용해 배터리 열화를 더욱 가속시킨다.
여러 분석 결과, CN4가 하이니켈 양극 표면을 니켈이 부족한 비정상적인 층으로 바꾸고, 안정적이어야 할 구조를‘암염 구조’라는 비정상적 형태로 변형시키는 현상도 확인됐다.
즉 LCO 배터리(리튬코발트산화물)에서는 유용한 CN4가, 니켈 비율이 높은 하이니켈 배터리에서는 오히려 구조를 무너뜨리는 양면성을 가진 물질임을 증명한 것이다.
이번 연구는 단순한 충·방전 조건 조절을 넘어, 금속 이온과 전해질 분자 사이에서 실제로 어떤 전자 이동이 일어나는지까지 규명한 정밀 분석이라는 점에서 큰 의미를 갖는다. 연구진은 이 성과를 바탕으로 하이니켈 양극에 최적화된 새로운 전해질 첨가제 개발에 나설 계획이다.
최남순 교수는 “배터리 수명과 안정성을 높이려면 분자 수준의 정밀한 이해가 필수”라며 “이번 연구가 니켈과 과도하게 결합하지 않는 새로운 첨가제 개발의 길을 열어, 차세대 고용량 배터리 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
생명화학공학과 최남순 교수, 한승희, 김준영, 이기훈 연구원과 신소재공학과 서동화 교수, 김재승 연구원이 공동 제 1저자로 진행한 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터즈(ACS Energy Letters)’에 11월 14일 온라인 게재되었으며 커버 논문으로 선정되었다.
※논문명 : Unveiling Bidentate Nitrile-Driven Structural Degradation in Ultra-High-Nickel Cathodes,
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02845
이번 연구는 삼성 에스디아이(Samsung SDI)의 지원을 받아 수행됐다.
2025.12.03 조회수 5175