새 인터페이스 전략이 고체 전지의 이온 흐름을 향상시킨다

리튬 이온 배터리는 전 세계 표준이 되었습니다. 오늘날 가장 인기 있고 널리 사용되는 배터리 유형이며, 시장 규모는 2023년에 약 $65 billion 로 추정됩니다.

하지만 물론 온도 민감성, 안전 문제, 제한된 수명 등 단점도 있습니다.

리튬 이온 배터리를 더 안전하고 강력하게 만들기 위해 액체 전해질을 고체 전해질로 교체하여 고체 전지를 만들고 있으며, 그 시장은 projected 2024년부터 2032년까지 연평균 41.6% 성장할 것으로 예상됩니다. 

고체 전지(SSBs)로의 전환

배터리에서 전해질은 이온이 장치를 통해 이동하여 전력을 생성할 수 있게 하는 물질입니다.

따라서 고체 전해질을 가진 배터리는 고체 전지이며, 더 높은 에너지 밀도, 빠른 충전, 온도 내성, 긴 수명 및 향상된 안전성을 제공합니다.

그 가능성에도 불구하고, SSB는 복잡한 제조 공정과 수지상 결정(dendrite) 형성에 관련된 잠재적 안전 문제 등 여러 도전에 직면합니다. 또한 계면 박리 현상이 발생하여 성능과 수명을 제한합니다. 이러한 제한들은 SSB의 광범위한 채택을 방해하고 있습니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 전 세계의 연구자와 기업들이 기술 발전에 적극적으로 노력하고 있습니다.

예를 들어, 삼성 SDI는 targeting 자체 고체 전해질 및 무음극 기술을 통해 현재 배터리보다 40% 높은 900 Wh/L의 에너지 밀도를 목표로 하고 있습니다. 

Chinese giants CATL와 BYD도 SSB 기술에서 큰 진전을 보이고 있으며, 전자는 하이브리드 “condensed state battery”를 개발하고, 후자는 산화물 및 황화물 기반 고체 전해질을 연구하여 모두 500 Wh/kg의 에너지 밀도를 목표로 하고 있습니다.

EU에서는 폭스바겐이 QuantumScape (QS )와 파트너십을 맺었습니다. 배터리 부문인 PowerCo는 연간 40 GWh의 초기 생산 능력을 갖춘 고체 전지 대량 생산을 위한 라이선스 계약을 체결했으며, 이는 주행 거리 30% 증가와 초고속 충전을 가능하게 합니다.

닛산은 이번 십년이 끝나기 전에 첫 고체 전지의 대량 생산을 시작할 계획이며, LG는 2030년 상용화를 목표로 하고 있습니다. 한편 Solid Power는 Ford (F ), BMW, 그리고 SK Innovation과 파트너십을 맺어 전기차용 황화물 기반 고체 전해질에 중점을 둔 전고체 배터리 기술의 상용화를 가속화하고 있습니다.

이번 달 초, 독일 다국적 자동차 기업 Mercedes-Benz Group AG(전 Daimler)는 unveiled 도로에서 리튬 금속 SSB로 구동되는 최초의 자동차를 공개했습니다. 프로토타입 SSB는 작년 말 EQS에 통합되었습니다.

회사는 EQS 기반 차량에 적용된 SSB가 주행 거리를 25% 늘릴 수 있다고 밝혔습니다.

따라서 상용화는 아직 몇 년이 남아 있지만, 그 사이 텍사스 대학교 달라스 캠퍼스 연구팀은 고체 전지 성능을 향상시키는 방법을 발견했습니다.

SSB에서 이온 전도성 향상

ACS Energy Letters에 발표된 최신 연구는 고체 전해질을 다른 고체와 혼합했을 때 향상된 이온 전도성 발견¹을 상세히 설명합니다. 

이 증가된 이온 전도성은 계면에서 공간 전하층이 형성되면서 발생하며, 이는 SSB용 고속 이온 전도체 개발을 위한 새로운 전략을 제공합니다. 두 고체 전해질 사이에 작은 입자를 혼합한 결과 형성되는 ‘공간 전하층’은 두 물질 사이 계면에 전하가 축적된 것입니다.

분리된 고체 전해질 물질이 물리적으로 접촉하면 경계에 층이 형성됩니다. 경계에서는 각 물질의 화학 퍼텐셜 차이로 인해 전하 입자가 축적됩니다.

이 층은 이후 이러한 전하 입자나 이온이 계면을 가로질러 이동하기 쉬운 경로를 형성하는 데 도움을 줍니다. 연구의 공동 교신 저자인 Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science의 재료 과학 및 공학 조교수 Dr. Laisuo Su에 따르면:

“레시피에서 두 재료를 섞었을 때, 어느 하나만 사용할 때보다 더 좋은 결과가 나오는 것을 상상해 보세요.” 

그는 덧붙였습니다:

“이 효과는 각 물질이 단독으로 달성할 수 있는 수준을 넘어 이온 이동을 촉진했습니다.”라고 그는 덧붙였습니다.

Su 박사의 연구는 재충전 배터리 분야의 재생 에너지 장치를 위한 혁신적인 소재 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 고체 및 액체 전해질, 그리고 중요한 반응이 일어나는 전해질-전극 계면에 특별한 관심을 가지고 있으며, 재생 에너지 장비에서 발생하는 화학 및 전기화학 반응을 모니터링하는 고급 도구 구축에도 힘쓰고 있습니다.

“이 발견은 이온 이동을 촉진하는 방식으로 상호 작용하는 재료를 신중히 선택함으로써 더 나은 고체 전해질을 설계하는 새로운 방법을 제시하며, 이는 성능이 뛰어난 고체 전지를 구현할 가능성을 열어줍니다.”

– Su 박사

UTD의 Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS) 이니셔티브의 일환으로, 2023년 시작 시 국방부로부터 3천만 달러의 자금을 지원받은 이 프로젝트는 새로운 배터리 기술 및 제조 공정을 개발·상용화하고, 핵심 원자재의 국내 공급을 개선하며, 산업을 위한 고품질 인력을 양성하는 것을 목표로 합니다.

연구의 공동 교신 저자인 Kyeongjae Cho 박사는 재료 과학 및 공학 교수이자 BEACONS 센터장으로서 다음과 같이 말했습니다:

“전고체 배터리 기술은 BEACONS 센터에서 진행 중인 차세대 배터리 화학 연구의 일부이며, 방위용 드론의 성능을 향상시키는 첨단 배터리 시스템을 구현할 것으로 기대됩니다.”

현재 소비자 제품에 사용되는 리튬 이온 배터리는 주로 액체 전해질을 포함하고 있으며, 이는 인화성이 있어 안전 문제가 발생합니다.

기존 리튬 이온 배터리가 저장 가능한 에너지의 이론적 한계에 도달함에 따라, Su에 따르면 SSB는 액체 전해질 배터리보다 두 배 이상 많은 전력을 생성·저장할 가능성을 보여주며, 인화성이 없기 때문에 더욱 안전합니다.

하지만 고체 물질을 통해 이온을 이동시키는 것은 어렵고, 이는 고체 전지 개발에 도전 과제를 만들고 있습니다.

따라서 연구진은 두 가지 유망한 고체 전해질(SSE) 화합물인 리튬 지르코늄 클로라이드(Li2ZrCl6)와 리튬 이트륨 클로라이드(Li3YCl6)의 성능을 조사했습니다.

연구진은 이러한 혼합이 이온 활동성을 향상시키는 이유에 대해 이론을 제시했으며, “계면이 이온 전달을 위한 독특한 채널을 형성했다”고 Su는 말했습니다.

앞으로 연구진은 조성 및 계면 구조가 어떻게 더 높은 이온 전도성을 초래하는지 지속적으로 연구할 예정입니다.

SSB의 수지상 결정 문제 해결

고에너지 밀도 배터리에 대한 필요성으로 인해 또 다른 연구팀이 중요한 수지상 결정 문제를 연구하게 되었습니다. 원래 수지상 결정이 고체 전해질을 관통할 수 없다고 생각했지만, 다른 배터리 구조와 마찬가지로 전고체 배터리에서도 문제로 나타납니다.

중국의 여러 기관 소속 엔지니어와 재료 과학자 팀은 discovered² 양극에서 금속 피로가 SSB가 시간이 지남에 따라 실패하는 주요 원인 중 하나이며, 이는 계면 열화와 수지상 결정 성장에도 기여한다는 것을 밝혀냈습니다. 

그룹은 주사 전자 현미경과 위상장 시뮬레이션을 사용해 리튬 전고체 배터리의 수지상 결정 성장을 연구했습니다.

그들은 충전 및 재충전 중에 리튬이 지속적으로 팽창·수축하면서 양극에 금속 피로가 발생하고, 이는 수지상 결정 성장을 촉진한다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 지속적인 팽창·수축이 양극에 미세공극과 균열을 형성해 수지상 결정 성장 및 열화를 초래한다는 것이 밝혀졌습니다.

수지상 결정은 양극 표면에서 화학 반응으로 인해 형성되는 나무 모양 구조입니다.

배터리의 양극은 충전 및 방전 사이클 동안 리튬 도금 및 탈도금 과정을 겪습니다. 이 가역적인 과정에서 리튬 이온은 양극 표면에 도금(플래팅)되고, 정상적인 사이클(충전 및 방전) 중에 탈도금(스트리핑)됩니다.

하지만 양극 표면에 리튬 이온이 고르지 않게 침착되면 더 많은 리튬 이온을 끌어들이는 부위가 생겨 리튬 이온 사슬이 길어집니다. 이렇게 형성된 나무 모양 구조가 배터리를 관통해 배터리 구조를 파괴하고 단락을 일으킵니다.

SSB에서는 리튬 금속과 고체 전해질 사이에 넓은 접촉 면적이 존재합니다. 고체 전해질에 공극이 생기면 리튬 금속이 빠르게 이를 메우게 되어 심각한 수지상 결정 형성과 전해질 내부 깊은 균열 전파를 초래합니다.

이에 캘리포니아에 있는 로렌스 베르클리 국립 연구소의 재료 담당 과학자 Haegyeom Kim은 published³ 이 문제에 대한 해결책을 발표했습니다.

그들의 연구는 현재 수집기에 주석-탄소 이중 버퍼 층을 적용해 리튬 수지상 결정 형성을 방지하는 방식을 상세히 설명합니다. 이 전고체 배터리 구조에서는 양극이 사전에 구축되지 않고, 첫 충전 사이클에서 양극의 리튬 이온이 현재 수집기에서 형성되어 복잡성, 무게 및 비용을 감소시킵니다.

삼성 연구진의 이전 논문은 리튬 배터리에서 은과 탄소 층을 버퍼 층으로 사용하면 매우 안정적이고 균일한 리튬 도금·탈도금 사이클을 구현할 수 있음을 보여주었습니다.

왜 효과적인지 연구한 결과, 김 팀은 은이 매우 리튬 친화적이며, 리튬 이온이 은 층 위에 균일하게 정렬되어 은 증착이 균일한 한 리튬 도금이 매우 균일해진다는 것을 발견했습니다.

하지만 여기서 탄소의 역할을 이해하는 것이 새로운 연구의 기반이 되었으며, 팀은 비용이 많이 드는 은보다 더 효과적인 주석을 선택했습니다.

탄소의 역할을 밝히기 위해 팀은 여러 테스트를 설계하고 네 가지 배터리 반전지를 사용했습니다. 하나는 주석 버퍼 층이 있는 경우, 하나는 버퍼 층이 없는 경우, 하나는 탄소 버퍼 층 위에 주석이 있는 경우, 또 하나는 주석 버퍼 층 위에 탄소가 있는 경우입니다.

이 층들은 스테인리스 스틸 현재 수집기에 증착되었으며, 주석 위에 탄소가 있는 버퍼 층이 가장 우수한 성능을 보였습니다.

“주석이 은과 같이 리튬 친화적인 층으로 작용한다는 것을 깨달았으며, 주석의 위치가 중요합니다. 바로 그곳에서 도금이 일어나기 때문입니다.”

– 김

탄소 층은 리튬을 기피(lithophobic)하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 리튬 이온이 이 층을 통과하기 어려워 반대 방향으로 이동하려는 경향이 있음을 의미합니다. 탄소를 주석 위에 배치함으로써 주석에 새로 형성된 도금 층에서 리튬 이동을 방지하고 수지상 결정이 전해질로 침투하는 것을 차단했습니다.

“단일 물질의 고유 특성만이 중요한 것이 아니라, 이를 어떻게 결합하느냐가 매우 중요합니다. 결합 방식에 따라 장벽 층의 특성이 크게 달라질 수 있기 때문입니다.”

팀은 현재 더 나은 성능을 가진 새로운 버퍼 층을 개발하고 있으며, 장기간 사이클 테스트와 보다 실용적인 시스템으로의 전환을 진행 중입니다.

공극 제거로 수명 연장

SSB를 실제 적용에 한 걸음 더 가까이 가져다 놓은 또 다른 돌파구는 마그네슘과 같은 소량의 금속을 양극에 첨가하면 배터리 성능이 향상되는 이유를 이해함으로써 이루어졌습니다.

이러한 방법은 자주 사용되지만, 왜 그런지 정확히 알려지지는 않았습니다.

이를 위해 휴스턴 대학 연구진은 작동 중 주사 전자 현미경(operando SEM)을 활용해 SSB 내부에서 발생하는 현상을 살펴보고, 왜 분해되는지와 그 과정을 늦출 수 있는 방안을 탐구했습니다.

“이 연구는 고체 전지가 때때로 실패하는 이유에 대한 오랜 미스터리를 해결합니다.”라고 전기·컴퓨터 공학 부문 Hugh Roy and Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor이자 Texas Center for Superconductivity의 책임 연구원인 Yan Yao 교신 저자가 말했습니다.

그들의 discovery⁴, Yao에 따르면, SSB가 낮은 압력에서도 작동하도록 하여 부피가 큰 외부 케이스의 필요성을 줄이고 전반적인 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 배터리 내부에 미세한 공극이 형성되어 큰 틈을 만들고, 이는 배터리 고장의 원인이 됩니다. 여러 실험을 통해 마그네슘(Mg)과 같은 소량의 원소를 추가하면 이러한 공간을 메워 배터리의 지속적인 작동을 도울 수 있음이 밝혀졌습니다.

“배터리 화학을 약간만 조정해도 특히 낮은 압력과 같은 실용적인 조건에서 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.”

– UH 전기·컴퓨터 공학 조교수인 첫 번째 저자 Lihong Zhao

SSB는 작동 중 안정성을 유지하기 위해 높은 외부 스택 압력이 필요하지만, Zhao는 “배터리 화학을 신중히 조정하면 필요한 압력을 크게 낮출 수 있다”고 언급했습니다.

한편 미주리 대학 연구진은 4차원 스캔 전송 전자 현미경(4D STEM)을 사용해 배터리의 원자 구조를 평가했습니다.

그들은 고체 전해질이 양극에 접촉하면 반응하여 100nm 두께의 계면층을 형성하고, 이 층이 리튬 이온과 전자의 이동을 차단해 배터리 성능을 제한한다는 것을 발견했습니다.

연구팀은 현재 증기상 증착 공정(oMLD)으로 만든 박막 재료가 고체 전해질과 양극 사이에 “반응을 방지할 만큼 얇은” 보호 코팅을 제공하면서도 “리튬 이온 흐름을 차단할 정도로 두껍지는 않은지” 테스트할 계획입니다.

AI를 활용한 SSB 연구 및 개발 지원

인공지능이 산업을 혁신하고 있는 시점에서, 연구자들이 자원과 시간이 많이 소요되는 SSB 연구·개발 문제를 해결하기 위해 AI의 도움을 받는 것은 당연합니다.

SSB의 복잡한 화학 환경은 성능 예측을 어렵게 만들고 대규모 산업화에 지연을 초래합니다. 

지난 주 연구⁵에서 중국 소추대학과 난징대학 엔지니어들은 AI가 효율적인 소재 스크리닝 및 성능 예측을 가능하게 할 잠재력을 강조했습니다. 머신러닝(ML) 알고리즘을 활용한 최신 진전은 방대한 소재 데이터베이스를 탐색하고 SSB에 적합한 고성능 소재 발견을 가속화하는 데 활용될 수 있다고 언급했습니다.

연구에 따르면 AI 기술의 급속한 발전은 SSB의 주요 과제인 양극 인터페이스, 음극 인터페이스, 전해질 합성·발견, 배터리 제조 등에 대한 새로운 해결책을 제시합니다.

Skoltech와 AIRI Institute의 연구자들은 신경망을 활용해 고체 전해질 및 그 보호 코팅에 유망한 소재를 식별할 수 있음을 확인했습니다.

“우리는 그래프 신경망이 높은 이온 이동성을 가진 새로운 고체 전지 소재를 기존 양자 화학 방법보다 수십 배 빠르게 식별할 수 있음을 입증했습니다,”라고 주요 저자인 Artem Dembitskiy가 말했습니다.

머신러닝 가속 접근법을 사용해 연구진은 초이온성 리튬 전도체 Li10GeP2S12의 유망한 코팅 소재로 Li3AlF6와 Li2ZnCl4 화합물을 확인했습니다.

SSB 기술에 투자하기

고체 전지 기술을 적극적으로 발전시키는 기업에 투자한다면, Toyota (TM )는 확실한 잠재력을 제공합니다.

일본 기반 자동차 제조업체는 Panasonic과 협력해 Prime Planet Energy & Solutions라는 합작 회사를 설립했으며, 황화물 기반 고체 전해질에 집중하고 있습니다. 회사는 내년 생산을 시작하고, 2030년까지 대량 생산을 목표로 하며, 1,000km 주행 거리, 10분 급속 충전, 연간 9GWh 용량을 목표로 하고 있습니다.

또한 Idemitsu Kosan과 협력해 2027~2028년까지 황화물 기반 전해질을 대량 생산할 예정입니다.

Toyota Motor Corp (TM )

Toyota가 고체 전지와의 관계를 시작한 것은 약 20년 전 배터리 연구 부서를 설립하면서이며, 이 부서는 하이브리드 및 전기차용 차세대 배터리를 개발하는 것을 목표로 합니다.

Toyota Motors의 시장 실적은 비교적 강세이며, 현재 주가는 $183.60에 거래되고 있습니다. 연초 대비 4.87% 하락했지만 4월 저점 이후 17% 이상 상승했습니다. 작년 3월에는 주가가 $255를 넘어 새로운 최고치를 기록했습니다.

이와 함께, $292.4억의 시가총액, Toyota의 EPS(TTM)는 24.01, P/E(TTM)는 7.71이며, 매력적인 3.27% 배당 수익률을 제공하고 있습니다.

2025년 1분기 재무 결과는 showed 순매출이 6.5% 증가해 $314억이 되었으며, 영업이익은 15% 이상 감소해 $31.3억이 되었습니다. 이 기간 동안 회사는 약 9,362,000대의 차량을 판매했으며, 분기 매출이 81,000대 감소했음에도 불구하고 Toyota는 여전히 가장 많이 판매된 브랜드였습니다.

이는 Toyota가 2024년에 1,080만 대를 판매해 세계에서 다섯 번째 연속으로 가장 많이 판매된 자동차 제조업체가 된 뒤의 일입니다.

최신 Toyota Motor Corp. (TM) 주식 뉴스 및 개발

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결론: 고체 전지의 미래

고체 전지는 널리 사용되는 리튬 배터리보다 많은 이점을 제공할 것으로 기대됩니다. 안전성, 에너지 밀도, 수명 면에서 우수하지만, 계면 박리와 수지상 결정 형성과 같은 과제가 여전히 대량 채택을 방해하고 있습니다. 

여기서는 특정 고체 전해질을 혼합하면 “공간 전하층”이 형성되어 이온 이동성이 향상된다는 최신 발견이 새로운 유망한 방향을 제시합니다. 이러한 돌파구와 기업들의 지속적인 실험을 통해 SSB는 모바일 기기와 전기차에 실제 적용 가능한 기술이 될 수 있습니다.

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참고 연구:

^{1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2 효과, 고체 전해질에서 공간 전하에 의해 유도됨. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). 고체 전지에서 리튬 금속 양극의 피로. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807}3. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). 전고체 배터리에서 리튬 수지상 결정 성장을 억제하기 위한 주석‑탄소 이중 버퍼 층. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
^{4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. 작동 중 주사 전자 현미경을 이용한 리튬-고체 전해질 계면 진화 영상. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-85. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. 인공지능이 고체 전지의 소재 스크리닝 및 성능 평가를 지원. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y}