본 연구의 주저자인 (왼쪽부터) 정혜성 박사과정 (한국과학기술연구원; 제1저자), 이종호 박사 (한국과학기술연구원; 교신저자), 신성수 교수 (인천대학교; 교신저자), 김형철 교수 (홍익대학교; 교신저자)

인천대학교 기계공학과 신성수 교수 연구팀이 홍익대학교 김형철 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 이종호 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 3차원 계면 구조 설계를 기반으로 낮은 압력(0.86 MPa) 조건에서도 600 사이클 이상 장기 안정 구동이 가능한 전고체전지 구조를 개발했다.

전고체전지는 화재 및 폭발 위험이 없는 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있으나, 충방전 과정에서 발생하는 전극의 부피 변화로 인해 계면 접촉이 약화되고 내부 저항이 급격히 증가하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 일반적으로 수십 MPa 이상의 높은 외부 압력이 요구되지만, 이러한 조건은 상용화를 어렵게 만드는 주요 요인으로 지적되어 왔다.

인천대-홍익대-KIST 공동연구팀은 황화물계 고체전해질 기반 전고체전지에 프리스탠딩 멤브레인 제작 기술과 세라믹 마이크로 임프린팅 기술을 도입하였다. 그 결과, 대칭셀 기준 1,000 시간동안 안정적인 구동을 보였으며 (평탄 계면은 400 시간 이후부터 성능 저하), 완전 셀 기준 평탄 계면 대비 12% 향상된 초기용량과 2배 이상 낮은 계면 저항을 기록하였다. 또한, 인천대 기계공학과 김백진 교수 연구팀과의 협력을 통해, 0.86 MPa의 낮은 압력 조건에서도 높은 안정성이 유지되는 원인이 3D 계면 구조가 기존의 단축 방향 응력을 평면 방향으로 분산시켜 계면 열화를 억제하기 때문임을 유한요소해석을 통해 규명하였다.

3차원 계면 구조를 갖는 전고체전지의 미세구조 및 평탄 계면 구조 전고체전지와의 성능 및 안정성 비교

인천대 신성수 교수는 “전고체전지의 높은 구동 압력 의존성은 상용화를 가로막는 핵심 난제였습니다. 이번 연구는 소재의 변경 없이 오직 계면 구조 설계만으로 성능과 수명을 동시에 개선했다는 점에서 의미가 큽니다” 라고 밝혔다.

KIST 이종호 박사는 “이번 연구는 황화물계 전해질 시스템에서 실질적 해결책을 제시했다는 점에서 전고체전지의 산업적 확장 가능성이 높습니다” 라고 평가했다.

홍익대 김형철 교수는 “3차원 계면은 단순히 반응 면적을 넓히는 개념을 넘어, 내부 응력 전달을 제어하는 기계적 설계 전략입니다. 전고체전지의 구조적-전기화학적-역학적 상관관계를 정량적으로 규명했다는 점이 핵심입니다” 라고 설명했다.

본 연구는 전극 및 전해질의 조성을 변경하지 않고도, 계면 구조 설계만으로 성능과 안정성을 동시에 개선할 수 있음을 입증하였다. 이는 차세대 전고체전지 상용화의 핵심 구조 설계 전략을 제시한다는 점에서 의의를 가진다. 이번 연구 결과는 “Enhancing Cycling Stability of All-Solid-State Batteries with 3D-Architectured Interfaces via Controlled Yield Stress and Internal Stress Relaxation” 이라는 제목으로 국제저명학술지인 ‘Small Structures’ (Impact factor: 11.3) 2026년 1월호에 게재되었다.