우리가 사용하는 배터리는 더 안전하고, 더 빠르게 충전되기를 요구받고 있습니다. 특히 화재 위험을 낮추는 안전성이 소비자의 신뢰와 직결되고 있으며, 이러한 요구에 대응하기 위한 대안으로 불 잘 붙는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지가 주목받고 있습니다. 다만 전고체 전지가 실제로 널리 활용되기 위해서는 아직 해결해야 할 과제가 남아 있습니다.

기존 고체 전해질에서는 원자들이 조밀하게 배열되어 있어 리튬 이온이 이동할 통로가 좁고 부족하며, 이로 인해 충전 속도가 저하되는 한계가 있습니다. 또한 전극과 전해질 사이가 완전히 밀착되지 않아 외부에서 압력을 가해야 안정적으로 작동하는 한계도 존재합니다. 이러한 한계는 제조 공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 느린 충전 속도로 인한 사용자 불편을 초래해 결국 상용화를 가로막는 주요 원인이 됩니다.

이 연구는 이러한 문제를 각각의 원인에 맞추어 직접 해결하는 방식으로 접근합니다.

먼저 리튬 이온의 이동 통로 부족 문제를 해결하기 위해, 고체 전해질 내 원자 간의 간격을 넓혀 이온이 지나갈 수 있는 '자유 부피(Free Volume)'를 설계합니다. 이는 단단한 찰흙 속에 미세한 틈을 내어 길을 터주는 것과 같아서, 리튬 이온 이동 경로를 유기적으로 연결해 이동 속도를 향상시킵니다. 즉, 막혀 있던 길을 여러 갈래로 열어 충전 속도를 높이는 접근입니다.

다음으로, 전극과 전해질 사이의 접착력 부족 문제를 해결하기 위해 전해질에 유연성을 부여합니다. 찰흙처럼 유연해진 전해질은 전극 표면의 미세한 요철까지 채우며 밀착됩니다. 이를 통해 리튬 이온이 지체 없이 이동할 수 있어 급속 충전이 가능해지며, 별도의 외부 압력 없이도 안정적인 계면을 형성해 제조 공정을 단순화할 수 있습니다.

결과적으로, “이온이 잘 못 움직인다”는 문제는 통로를 넓혀 해결하고, “서로 잘 붙지 않으니 압력을 가해야만 한다”는 문제는 유연성을 통해 해결하게 됩니다. 이러한 접근을 통해 전고체 전지의 제조 과정이 단순해지고, 빠르게 충전이 가능해져서, 전기차와 에너지 저장 장치와 같은 다양한 분야에서 전고체 전지의 활용 범위를 넓히는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

이 연구에서 새롭게 제안하는 '자유 부피', 즉 원자와 원자 사이의 빈 공간을 조절하는 접근은 전해질에만 국한되지 않고, 고성능 전자 소재, 촉매, 차세대 에너지 변환 소재 등 다양한 고부가가치 산업으로 확장될 수 있습니다. 특히 고체 내 원자들 사이에 있는 '빈 공간'을 정밀하게 제어함으로써 물질의 물성을 제어한다는 핵심 설계 아이디어는, 소재에 없던 기능을 더해줄 수 있는 새로운 접근입니다.