전고체 배터리 상용화 열쇠, ‘원자의 진동’에서 찾았다

차세대 에너지 저장 장치로 꼽히는 전고체 배터리의 상용화에 새로운 돌파구가 열렸다. 고려대학교 강용묵 교수 연구팀이 고체전해질 내 원자 진동을 정밀하게 분석하고 제어해, 이온 전도도를 획기적으로 높일 수 있는 메커니즘을 제시한 것이다.

한국연구재단은 24일 강용묵 교수 연구팀이 불규칙한 격자 진동인 ‘비조화 포논(anharmonic phonon)’ 산란을 제어해 고체전해질의 이온 전도도를 높이는 전략을 확인했다고 밝혔다. 연구 결과는 화학 분야 권위지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 9월 6일자에 게재됐다.

연구팀은 산화물계 고체전해질에 탄탈럼(Ta)을 도핑해 격자 무질서를 증가시키고 결합을 느슨하게 만들었다. 이 과정에서 규칙적인 진동에서 벗어난 비조화 포논이 활성화되며, 리튬이온이 개별적으로 이동하는 단일 이동을 넘어 다수의 이온이 협력적으로 동시에 움직이는 ‘집단적 이온 이동’이 촉진됨을 실험적으로 입증했다.

이를 통해 고체전해질의 이온 전도도가 액체 전해질 기반 리튬이온전지에 근접할 수 있는 가능성이 확인됐다. 연구진은 라만·테라헤르츠 분광 분석과 머신러닝 기반 포논 해석 기법으로 원자의 진동 변화를 추적해 이러한 메커니즘을 과학적으로 뒷받침했다.

강용묵 교수는 “고체전해질의 격자 동역학을 통해 원자 진동 제어가 이온 전도도 향상의 핵심임을 규명했다”며 “앞으로 첨단 분석법이 발전하면 차세대 배터리 소재 설계에 적용 가능한 보편적 지침이 될 수 있다”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 연구 성과는 전고체 배터리 상용화를 위한 소재 설계 원리 확립에 기여할 것으로 기대된다.