토토사이트학교 재료화학공학과 박태주 교수 연구팀이 황화물계 전고체전지에서 양극 활물질의 보호막 조성과 전도도, 전지 성능 간의 정량적 상관관계를 규명한 연구 결과를 발표했다고 22일 밝혔다.

황화물계 전고체전지는 폭발 위험이 적고 에너지 밀도가 높아 차세대 이차전지 기술로 주목받고 있지만, 양극 활물질과 고체전해질의 계면 불안정성이 여전히 큰 과제로 꼽힌다. 이를 해결하기 위해 활물질 표면에 산화물 보호막을 형성하는 기술이 도입되어 왔으나, 기존 연구는 ‘코팅 유무’ 또는 ‘두께 차이’ 중심으로 접근되어 보호막 조성과 전도 특성이 전지 성능에 미치는 정량적 영향은 제대로 규명되지 못했다.

이에 박태주 교수 연구팀은 분말원자층증착법(Powder-Atomic Layer Deposition, Powder-ALD)을 이용해 황화물계 고체전해질(Li₆PS₅Cl)을 사용하는 전고체전지의 양극 활물질(LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂, NCM811) 표면에 조성이 다른 산화물 보호막(LiZrOₓ)을 형성했다. 이후 Li/Zr 조성비에 따른 보호막의 이온전도도·전자전도도 변화와 전지 성능 차이를 실험적으로 비교·분석함으로써, 조성 제어가 전지 효율에 미치는 정량적 영향을 처음으로 밝혀냈다.

그 결과, 이온전도도는 최대 20배, 전자전도도는 약 1,000배 이상 차이를 보였으며, 이러한 전도도 차이가 초기 쿨롱 효율과 용량 유지율(수명 특성)에 직접적으로 반영되는 것이 확인됐다. 또한 조성 간 비교 결과, 초기 효율은 약 4.5%, 수명 특성은 약 37%까지 차이를 보여 보호막 조성 제어가 전고체전지 성능을 정량적으로 지배함을 실험적으로 입증했다.

이번 연구는 보호막의 조성 변화 → 전도도 변화 → 전지 성능 변화로 이어지는 인과적 관계를 세계 최초로 실험적으로 규명한 사례로, 기존의 ‘코팅 유무’ 중심 연구를 넘어선 ‘조성 기반 인터페이스 엔지니어링(Composition-Driven Interface Engineering)’ 전략을 제시했다는 점에서 큰 의의를 가진다.

박태주 교수는 “이번 연구는 보호막 조성을 정밀하게 제어해 전도도 특성과 전지 성능 간의 정량적 관계를 규명한 첫 사례”라며, “황화물계 전고체전지의 계면 안정화와 고에너지밀도 구현을 위한 조성 설계의 기초를 마련했다”고 말했다.

또한 이번 연구에서는 기존의 웨이퍼 기반 ALD 공정을 전극 분말에 직접 적용한 Powder-ALD 공정을 활용해 대면적·대량생산형 전극 보호막 제조의 가능성을 입증했다. 이는 실험실 수준의 기술을 산업 현장으로 확장할 수 있는 기반을 마련한 것으로, 박 교수는 이를 바탕으로 2022년 창업한 알페스㈜(ALPES)를 통해 Powder-ALD 기반 양극 활물질 보호막 코팅의 상용화를 추진하고 있다. 이 외에도 알페스㈜는 이 기술을 활용해 이차전지 활물질은 물론 반도체 후공정용 분말 소재, 화장품·제약 등 다양한 산업 분야로의 적용을 확대할 계획이다.

이번 연구는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 및 국가R&D사업의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 『Advanced Science』(IF 14.1)에 10월 14일 온라인 게재됐으며, 2026년 4호의 표지 논문(front cover)으로 선정됐다.

해당 논문 「Composition-Controlled Cathode Protective Layer via Powder-Atomic Layer Deposition for All-Solid-State Batteries」에는 권규문 토토사이트 박사과정이 제1저자로 참여하고 박태주 토토사이트 교수, 강효랑 토토사이트 겸임교수가 교신저자로 참여했다.