한양대학교 재료화학공학과 박태주 교수 연구팀이 황화물계 전고체전지에서 양극 활물질 보호막의 조성과 전도도, 전지 성능 간의 정량적 상관관계를 세계 최초로 규명했다고 22일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 『Advanced Science』(IF 14.1) 10월 14일자 온라인판에 게재됐으며, 2026년 4호 표지 논문으로 선정됐다.
황화물계 전고체전지는 폭발 위험이 적고 에너지 밀도가 높아 차세대 이차전지 기술로 주목받고 있다. 그러나 양극 활물질과 고체전해질 사이의 계면 불안정성이 여전히 주요 과제로 꼽혀왔다. 이에 따라 활물질 표면에 산화물 보호막을 형성하는 기술이 도입되어 왔지만, 기존 연구는 보호막의 존재 유무나 두께 중심으로 접근해 조성 변화가 전지 성능에 미치는 정량적 영향은 규명되지 못했다.
박태주 교수 연구팀은 분말원자층증착법(Powder-Atomic Layer Deposition, Powder-ALD)을 활용해 황화물계 고체전해질(Li₆PS₅Cl)을 사용하는 전고체전지의 양극 활물질(LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂, NCM811) 표면에 조성이 다른 산화물 보호막(LiZrOₓ)을 형성했다. 연구팀은 Li/Zr 조성비에 따른 보호막의 이온전도도와 전자전도도 변화를 정량적으로 측정하고, 이 값이 전지의 초기 효율과 용량 유지율(수명 특성)에 미치는 영향을 실험적으로 분석했다.
그 결과, 보호막의 조성에 따라 이온전도도는 최대 20배, 전자전도도는 약 1,000배 이상 차이를 보였으며, 이러한 전도도 변화가 전지의 초기 쿨롱 효율과 수명 특성에 직접 반영되는 것이 확인됐다. 특히 조성 차이에 따라 초기 효율은 약 4.5%, 수명 특성은 약 37%까지 차이를 보여 보호막 조성이 전고체전지 성능을 정량적으로 지배함을 입증했다.
이번 연구는 보호막 조성 변화 → 전도도 변화 → 전지 성능 변화로 이어지는 인과적 관계를 실험적으로 증명한 세계 최초의 사례로, 기존의 '코팅 유무 중심 연구'를 넘어 '조성 기반 인터페이스 엔지니어링(Composition-Driven Interface Engineering)'이라는 새로운 연구 패러다임을 제시했다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.
박태주 교수는 “이번 연구는 보호막 조성을 정밀하게 제어해 전도 특성과 전지 성능 간의 정량적 관계를 규명한 첫 사례"라며 “황화물계 전고체전지의 계면 안정화와 고에너지밀도 구현을 위한 조성 설계의 기초를 마련했다"고 설명했다.
또한 이번 연구에서는 기존 웨이퍼 기반 ALD 공정을 전극 분말에 직접 적용한 Powder-ALD 공정을 활용함으로써, 대면적·대량생산형 전극 보호막 제조의 가능성도 입증했다. 박 교수는 이 기술을 바탕으로 2022년 창업한 알페스㈜(ALPES)를 통해 Powder-ALD 기반 양극 활물질 보호막 코팅 기술의 상용화를 추진 중이며, 이를 반도체 후공정용 분말 소재, 화장품·제약 등 다양한 산업 분야로 확장할 계획이라고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 및 국가 R&D사업의 지원을 받아 수행됐으며, 논문 「Composition-Controlled Cathode Protective Layer via Powder-Atomic Layer Deposition for All-Solid-State Batteries」에는 한양대 권규문 박사과정이 제1저자로, 박태주 교수와 강효랑 겸임교수가 교신저자로 참여했다.
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