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[IT뉴스]화재 위험 낮은 전고체 배터리 새 설계법…"제자리 도는 음이온, 성능 높여"

온카뱅크관리자

2026-09-21 12:17:24

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국기초과학지원연구원 
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 <img alt="음이온의 회전을 이용해 전고체 배터리 내부 이온 이동을 원활하게 할 새로운 설계 전략이 제시됐다. ChatGPT 생성이미지" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/21/dongascience/20260921121554757kdyr.png" data-org-width="680" dmcf-mid="K6vO9Q9ULv" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/21/dongascience/20260921121554757kdyr.png" width="658">
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 음이온의 회전을 이용해 전고체 배터리 내부 이온 이동을 원활하게 할 새로운 설계 전략이 제시됐다. ChatGPT 생성이미지
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 화재 위험이 낮은 전고체 배터리의 성능을 높일 새로운 설계 방향이 제시됐다. 고체 전해질 내부에서 음이온의 회전과 배치가 리튬이온의 이동을 원활하게 하는 원리가 규명돼 이온전도도가 높은 고체 전해질 개발에 활용될 것으로 기대된다.
 한국기초과학지원연구원(기초지원연)은 이영주 지능형 이차전지 전략연구단 책임연구원 연구팀이 차세대 고체 전해질 소재에서 음이온의 회전이 배터리 성능을 향상시키는 원리를 규명했다고 21일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '스몰'에 지난 6월 26일 게재됐다.
 전고체 배터리는 불이 붙기 쉬운 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한 배터리다. 화재 위험이 낮은 대신 고체 전해질 내에서 리튬 이온이 자유롭게 이동하기 어렵다. 배터리 성능을 향상시키려면 이온의 이동 속도를 높이는 것이 중요하다.
 연구팀은 '아지로다이트'계 고체 전해질에 들어 있는 음이온인 '보로하이드라이드'에 주목했다. 아지로다이트계 물질은 이온 전도도가 높고 가공성이 좋아 차세대 전고체 배터리용 소재로 평가된다.
 보로하이드라이드는 붕소 원자 하나를 중심으로 수소 원자 네개가 결합한 음이온이다. 고체 전해질 결정 구조 내부에서 방향을 바꾸며 제자리 회전할 수 있다. 보로하이드라이드를 넣으면 고체 전해질의 이온전도도를 높일 수 있다는 사실을 앞선 연구를 통해 알려졌지만 보로하이드라이드의 회전이 리튬 이온 이동에 어떤 역할을 하는지 명확히 밝혀지지 않았다.
 연구팀이 고체 핵자기공명분광법과 분자동역학 시뮬레이션으로 분석한 결과 보로하이드라이드의 회전과 리튬이온의 이동이 반복적으로 맞물리는 것으로 나타났다. 시뮬레이션에서 보로하이드라이드의 회전을 제한하자 리튬 이온 확산성이 절반에 가깝게 감소했다. 보로하이드라이드 회전이 리튬 이온의 장거리 이동을 돕는다는 사실이 확인된 것이다.
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 <img alt="고체전해질에서 보로하이드라이드의 회전이 리튬이온의 이동을 돕는 원리를 나타낸 모식도. ChatGPT 생성이미지. 기초지원연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/21/dongascience/20260921121556031rxkn.png" data-org-width="680" dmcf-mid="9NYl4e4qeS" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/21/dongascience/20260921121556031rxkn.png" width="658">
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 고체전해질에서 보로하이드라이드의 회전이 리튬이온의 이동을 돕는 원리를 나타낸 모식도. ChatGPT 생성이미지. 기초지원연 제공
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 보로하이드라이드의 위치도 중요한 것으로 드러났다. 보로하이드라이드가 고체 전해질 내부의 서로 다른 두 결정학적 위치에 함께 자리하면 리튬 이온이 이동하는 공간이 고르게 형성됐다. 그 결과 리튬 이온이 인접한 공간을 이동하는 데 필요한 에너지 차이가 줄어 장거리로 원활하게 이동할 수 있는 것으로 나타났다.
 이번 연구는 전고체 배터리 설계에 있어서 고체 전해질 성분뿐 아니라 내부 물질의 배치와 움직임을 함께 고려해야 한다는 새로운 방향을 제시했다. 연구결과는 향후 리튬이온이 빠르게 이동하는 고성능 고체전해질을 효율적으로 개발해 연구 시행착오를 줄이고 안전성과 성능이 우수한 전고체 배터리 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.
 이영주 책임연구원은 "고체전해질 안에서 주변 음이온의 회전이 리튬이온 이동을 돕는 과정을 규명했다"며 "전고체 배터리용 고체전해질의 이온전도 성능을 높이는 새로운 설계 기준으로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1002/smll.73722
 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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