보도자료
배포일	2025년 5월 30일(금) 08:00			엠바고	온라인 : 2025년6월1일(일) 12:00 지 면 : 2025년6월2일(월) 조간
문 의	연구부서	화학소재연구본부 서동범 박사후연구원(042-860-7261, 010-8388-5211) 화학소재연구본부 안기석 책임연구원(042-860-7356, 010-3422-0298)
	홍보부서	대외협력실 양경욱 실장(042-860-7109, 010-6425-8557) 대외협력실 강가람 선임행정원(042-860-7815, 010-4699-2639)

차세대 무음극 전고체 전지, 저렴한 이황화몰리브덴 박막 활용하여 수명 7배 향상 - 고가 귀금속 대신 저렴한 이황화몰리브덴(MoS2) 박막 이용해, 무음극 전고체 전지의 불균일 리튬 도금 및 계면 불안정성 문제 해결 - 이황화몰리브덴(MoS2) 희생 박막 도입 시 수명 7배↑, 초기 방전 용량 1.18배↑ - 전고체 전지에 비해 더 가볍고 에너지밀도 높은 차세대 무음극 전고체 전지의 안정성 한계 극복 기대

□ 국내 연구진이 낮은 비용의 2차원 소재를 이용해, 차세대 전지인 무음극 전고체 전지의 수명을 7배 향상시키는 기술을 개발했다.

◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 안기석, 서동범 박사 연구팀과 충남대학교(총장 김정겸) 박상백 교수 공동 연구팀은 금속-유기 화학 기상 증착법으로 성장시킨 이황화몰리브덴(MoS2)을 차세대 무음극 전고체 전지의 집전체에 적용해, 수명을 크게 높이는 기술을 선보였다.

□ 리튬 이차전지는 휴대폰·무선 가전제품 등의 배터리로 많이 활용된다. 충전될 때는 리튬 이온이 양극에서 음극 표면으로 이동해 달라붙는다. 그런데 급속·과충전, 음극 표면 불균일 등으로 인해 리튬이 특정 부위만 뾰족하게 자랄 수 있다. 만약 중간의 액체 전해질을 뚫고 반대편까지 자라면, 음극·양극이 직접 연결되는 단락(쇼트)과 열 폭주로 이어진다. 과전류 시 고온에 발화점 낮은 전해질이 불타며 꺼지지 않는 것이다.

◯ 이런 위험을 해결하기 위해 ‘전고체 전지’가 연구 중이다. 전고체 전지는 액체 전해질이 사용되는 리튬 이차전지와 달리, 인화성 액체 없이 ‘모두(全) 고체’로 구성된 이차전지를 뜻한다. 인화성이 없거나 적은 고체 전해질을 사용해 안전하며, 높은 에너지 밀도와 출력을 갖출 수 있고 겨울에도 성능이 유지되는 장점이 있다.

◯ 연구자들은 여기서 더 나아가, 음극 없이 생산하는 차세대 ‘무음극 전고체 전지’도 연구하고 있다. ‘양극–고체 전해질–집전체’ 구조로 생산한 뒤, 첫 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라붙으며 리튬 층을 형성해 스스로 음극이 생기도록 하는 방식이다. 생산 시 음극이 없는 만큼 일반 전고체 전지보다 부피를 줄일 수 있어 에너지 밀도 극대화, 즉 배터리 소형화 및 에너지 저장 용량 확대가 가능하다.

◯ 다만 충전할 때는 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 얇은 음극을 형성했다가 방전되면 다시 리튬 음극 층이 없어지는 과정이 반복된다. 이 때 음극과 고체 전해질 사이 경계면이 불균일해지며 안정성이 떨어져 수명이 짧아지는 단점이 있었다. 이에 균일한 음극 도금 유도·음극 보호막 생성을 위해 은·인듐 등 친 리튬성 귀금속 박막을 적용했지만, 소재가 비싸고 공정이 복잡해 상용화에 한계가 있었다.

□ 연구팀은 귀금속에 비해 저렴한 ‘이황화몰리브덴’ 박막을 적용했다. 반도체 공정에 사용되는 금속 유기화학 기상 증착법으로 스테인리스강 (SUS) 집전체에 이황화몰리브덴 나노시트 박막을 정밀한 두께로 코팅해, 충·방전 과정에서 경계면 안정화 층이 추가로 생성되도록 유도했다.

◯ 이황화몰리브덴(MoS2)은 충·방전 시 리튬과 반응해 몰리브덴(Mo) 금속과 황화리튬(Li2S)으로 변환된다. 이들은 음극과 고체 전해질 사이에서 새로운 층을 형성해, 리튬이 특정 부위에 뾰족하게 성장하는 ‘덴드라이트 현상’을 방지하고 배터리의 수명과 안정성을 높인다.

◯ 실험 결과, 집전체에 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 경우 300시간 이상 안정적으로 작동했다. SUS 전극만 사용한 경우 약 95시간 만에 단락이 발생한 것과 비교하면 약 3.2배 이상 안정성이 향상된 것이다. 또한 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 전지는 기존 SUS 전극 활용 전지 대비, 초기 방전 용량이 1.18배(136.1 → 161.1 mAh/g), 수명은 7배 향상되었다.(20회 사이클 후 용량 유지율이 8.3% → 58.9%)

□ 연구팀은 현재는 연구개발 초기 단계라며, 2032년 실용화를 예상했다.

◯ 연구팀은 “저렴한 MoS2 소재를 활용해 기존 귀금속 기반 전고체 전지의 한계를 극복한 점에서 의미 있는 기술”이라고 말했고, 화학연 이영국 원장은 “다양한 응용 분야에서 전고체 전지 상용화를 앞당길 수 있는 차세대 핵심기술이 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

◯ 이번 논문은 2025년 4월 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Nano-Micro Letters (IF: 31.6)’에 게재되었다. 이번 연구는 화학연 기본사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 과학기술분야 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

※ 논문 주요 사항

2025.4.18. (온라인 게재)

◦저널명 : Nano-Micro Letters(IF=31.6) ◦논문명(영문):Tailoring artificial solid electrolyte interphase via MoS2 sacrificial thin-film for Li-free all-solid-state batteries ◦논문명(국문):MoS2 희생 박막을 활용한 인공 고체 전해질 계면 맞춤화로 리튬 무음극 전고체 전지 개발 ◦저자 정보 : 서동범 박사후연구원(1저자, 화학연), 김도훈 석사후연구원(1저자, 충남대), 안기석 책임연구원(교신저자, 화학연), 박상백 교수(교신저자, 충남대) ◦DOI : https://doi.org/10.1007/s40820-025-01729-w

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		- (기존) 리튬 이차전지 시장은 현재 약 400억 달러 규모에서 2025년까지 약 1190억 달러까지 도달할 것으로 예측되고 있으며, 전고체 배터리는 에너지 밀도 및 안정성 측면에서 기존의 이차전지를 대신하는 차세대 이차전지 분야의 핵심기술의 하나임. - 전고체 전지 분야에서는 전지의 리튬 충/방전 시 계면을 안정하게 하는 것이 무엇보다 중요하며 기존의 연구들에서는 리튬과의 상호작용이 좋은 금속 (Ag, In, Mg 등)을 활용하여 계면을 안정화시킨 전고체 전지 혹은 무음극 전고체 전지가 보고되었음. - 그러나 이전에 보고된 친리튬성 금속 혹은 그 복합재는 귀금속 활용으로 인한 높은 재료 비용이나 두꺼운 층, 높은 가압 등과 같은 요인으로 인해 산업적 응용 분야에서 한계가 있음. - (개선) 본 연구에서는 비용이 저렴하면서도 효율적인 성능을 보이는 2차원 소재인 MoS2를 전고체/무음극 전지에 적용하여 기존의 전지 대비 성능을 향상시켰음. 특히 증착되는 MoS2의 두께를 얇게 조절할 수 있고, 가압이 낮더라도 구동할 수 있음을 선보여 기존의 한계점을 돌파할 수 있는 방향성을 제시함. * 세계 최고 수준 기술과 이번 성과 비교 → 최초로 2차원 소재인 MoS2 나노시트 구조를 희생층으로 사용하여 음극이 없는 무음극 전고체 전지 (Anode-free all-solid-state battery, AFASSB) 구조를 제조한 사례임. → 기존에 활용되던 귀금속 계열에 비해 월등히 저렴한 비용과 소재의 두께 조절이 용이하다는 점에서 이전의 연구와 비교해 경쟁력을 가짐.
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 리튬 이차전지, 리튬 기반 전고체 전지, 무음극 전지, 전고체 무음극 전지
실용화를 위한 과제는?		- 소재 개발: MoS2의 조성과 구조를 최적화하여 배터리 성능과 수명을 향상해야 함. - 대량 생산 공정 확립: 실험실 수준에서 개발된 MoS₂ 박막 코팅 기술을 대면적·대량 생산 공정으로 확장 필요. - 산업화 과정: 파일럿 공정을 구축하고, 대량 생산 기술을 개발하며, 경제성 평가를 통한 실용화 가능성 검증 필요. - 규제 및 인증: 신뢰성을 확보하기 위해 안전성 테스트, 제품 인증, 표준화 작업 필요
실용화 가능 시기는?		- 현재는 연구실 규모의 연구개발 초기 단계로서, 2032년 이후 실용화 예상함.
산업적, 경제적 파급효과는?		- 무음극 전고체전지 안정성 및 성능 향상: MoS2 희생층 (Sacrificial layer)을 활용해 음극 계면을 안정화하여 배터리 수명을 획기적으로 개선함. 기존 무음극 전고체 배터리의 낮은 효율과 짧은 사이클 수명 문제를 해결하여 차세대 배터리 시장에서 중요한 기술적 돌파구 제공. - 제조 공정 간소화 및 비용 절감: 기존 Ag, In 등의 귀금속 기반 기술과 달리 저비용 MoS2 소재를 활용, 원재료 비용 절감. MoS2 기반 박막 코팅 기술을 도입하여 별도의 추가 공정 없이도 전고체 배터리 생산 가능, 제조 단가 절감 및 공정 단순화 효과 기대. - 차세대 배터리 시장 선점 가능성: 최적화된 MoS2 박막을 도입한 배터리는 기존 SUS 집전체 기반 배터리 대비 초기 방전 용량 1.18배 증가, 용량 유지율 7배 개선. 안정성과 성능이 크게 향상된 전고체전지를 조기 상용화할 수 있는 가능성을 열어 전기차 (EV), 에너지저장장치 (ESS), 항공·우주 산업 등에 광범위한 응용 가능성 기대.

(참고) 연구 내용 관련 상세 참고 자료

□ 관련 기술 분야 용어 설명

◯ 리튬이차전지, 전고체 전지, 무음극 전고체 전지 간 비교

구분	리튬이차전지 (Li-ion Battery)	전고체 전지 (All-Solid State Battery)	무음극 전고체 전지 (Anode-Free All-Solid-State Battery)
내부 구조	①양극재 ②액체전해질+분리막 ③음극재	①양극재 ②고체전해질 ③음극재	<생산 시> ①양극재 ②고체전해질 ③집전체	<충전 후> ①양극재 ②고체전해질 ③집전체→ 음극 변환
전해질 (인화점/ 가연성)	액체 유기용매 (인화점 낮음) (가연성 높음)	무기 고체 (인화점 높음) (산화물계 : 가연성 없음) (고분자계 : 가연성 낮음) (황화물계 : 가연성 낮음, 공기 중 수분 반응 등 별도 안전대책 필요하나, 액체보다 훨씬 안정적)	좌동
분리막	필요 (액체에서 양극 – 음극 절연 분리 필요)	불필요 (고체 전해질이 동시에 절연 역할 수행)	좌동
양극재	- LCO(리튬코발트산화물) : 에너지밀도 높음 / 고가, 열 안정성 낮음 / 스마트폰, 노트북 등 고에너지 소형 기기에 사용 - NCM(니켈-코발트-망간 산화물) : 코발트 줄이고 니켈 비율 높여 고용량 / 망간으로 안정성 보완 / 전기차, ESS 등 중대형 배터리에 사용 - NCA(니켈-코발트-알루미늄 산화물) : NCM보다 더 높은 에너지 밀도 / 가벼움, 알루미늄으로 구조 안정화 / 테슬라 등 고성능 전기차 배터리 사용
음극재	흑연, 리튬금속 등	좌동	초기엔 없음 (충전 시 리튬 도금 됨)
충전 시 리튬 이동	양극 → 전해질 → 음극 (흡착)	좌동	음극 없음 → 금속 도금됨
방전 시 리튬 이동	음극 → 전해질 → 양극	좌동	금속 리튬이 이온화되어 사라짐

◯ 희생 박막(sacrificial thin film) : 얇은 막이 코팅된 본래 상태를 유지하는 것이 목적이 아니라, 충·방전 중에 막의 일부 또는 전체가 의도적으로 변형·소멸(희생)되면서 전지 성능 개선의 역할을 수행하는 막을 뜻한다. 이번 연구에서는 무음극 전고체 전지의 구성품 중 ‘집전체’ 표면에 이황화몰리브덴 희생 박막을 코팅하였다. 이황화몰리브덴 희생 박막은 무음극 전고체 전지의 문제점이었던 전해질과 집전체 사이의 경계면 안정성과 리튬 도금 품질을 향상시켜 수명이 크게 늘어났다.

* (계면 안정성 향상) 희생 박막이 고체 전해질과 음극(집전체)이 닿은 경계면에서 두 재료 간 화학적 특성을 안정적으로 지켜줘, 리튬 층이 일정한 두께로 생성되며 무음극 전고체 전지의 성능이 오래 유지되도록 도와줌

* (1단계, 충전 전) 집전체 표면에 이황화몰리브덴 나노시트 희생 박막 코팅해 둠

* (2단계, 충전 중) 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체로 이동하면서 이황화몰리브덴과 반응

* (3단계, 화학 반응) 이황화몰리브덴과 리튬이 반응하여 황화리튬+몰리브덴 금속으로 변환

* (4단계, 계면 안정성 향상 결과) 몰리브덴 금속은 리튬이 음극에 균일한 두께로 자라도록 도금 촉진 역할을 하고, 황화리튬은 이온 전도성이 높은 계면 보호층 역할을 함

□ 개발 기술 상세 설명

◯ 리튬 이차전지는 휴대폰·무선 선풍기 등에 다양하게 쓰인다. 여기에는 액체 전해질이 양극과 음극 사이에서 이온 전달 용도로 사용되는데 인화성이 높다. 충전할 때는 양극의 리튬 이온이 음극 표면으로 이동하게 되는데 음극의 특정 부위에만 전류가 집중되면 고르게 리튬이 도금되지 않고 그 부분만 뾰족하게 자라다가 분리막을 뚫고 전해질 너머 양극까지 닿아 열 폭주, 가연성 액체 전해질로 인한 화재가 발생할 수 있다.

◯ 반면 전고체 전지는 전해질이 가연성 액체 대신 고체로 구성된 이차전지다. 그리고 무음극 전고체 전지는 음극 없이 ‘양극–고체 전해질–집전체’ 구조로 제작하는 차세대 전고체 전지다. 충전 시 양극에서 나온 리튬 이온이 집전체에 달라붙으며 리튬 층을 형성해 음극이 생겨나는 구조로 되어있다. 가연성 액체가 아닌 불이 붙기 어려운 고체 전해질을 사용하기에 화재를 방지하고, 부피가 큰 음극이 없는 만큼 가볍고 저렴하게 만들 수 있다.

◯ 다만 충전할 때는 리튬 이온이 집전체에 달라붙어 음극을 형성했다가 방전되면 다시 리튬 음극 층이 없어지는 과정이 반복되며 음극과 고체 전해질 사이 경계면이 불균일해지면서 안정성이 떨어져 수명이 짧아지는 단점이 있었다. 이를 막기 위해 음극에서 균일한 도금 유도와 함께 생성된 음극을 고체 전해질 사이에서 보호하는 막(SE 계면)을 생성하기 위해 은, 인듐 등 친 리튬성 귀금속 박막을 적용했지만, 소재가 비싸고 공정이 복잡해 상용화에 한계가 있었다.

◯ 연구팀은 이런 문제 해결을 위해 집전체 표면에 귀금속에 비해 저렴한 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성해 ‘Li2S-Mo 금속 계면층’을 유도함으로써, 리튬의 균일한 증착과 계면 안정화를 동시에 구현했다.

◯ 연구팀이 활용한 이황화몰리브덴(MoS2) 나노시트 박막은 금속 유기화학 기상 증착법(MOCVD)을 통해 스테인리스강 (SUS) 집전체 위에 정밀 제어된 두께로 코팅시켰다.

◯ 특히 MoS2는 충·방전 시 리튬과 반응하여 몰리브덴(Mo) 금속과 황화리튬(Li2S)으로 변환되는데, 이들이 계면에 안정적인 인공 고체 전해질 계면층(SE 계면)을 형성하여 계면 저항을 낮추고 전류 밀도를 균일하게 분산시키는 역할을 한다. 이로 인해 리튬이 특정 지점에 집중되며 뾰족하게 성장하는 ‘덴드라이트 현상’을 방지하고, 배터리의 수명과 안정성을 동시에 향상시킨다.

◯ 실제로 연구팀이 제작한 반전지(Asymmetric half-cell) 실험에서, MoS2 도입 여부에 따른 리튬 도금 균일성을 비교한 결과, SUS 집전체만 사용한 경우 약 95시간 만에 단락이 발생한 반면, 15분간 성장한 나노시트 구조의 MoS2 희생막을 적용한 경우 300시간 이상 안정적으로 작동하며 약 3.2배 이상의 수명 향상을 입증하였다. 이때 리튬 핵 생성 과전압 또한 SUS 대비 30% 이상 감소하였다(33.6 → 23.4mV), 이는 균일하고 낮은 에너지로 리튬이 도금됨을 의미한다.

◯ 고체 전해질과 전극 간 압력 분포 역시 개선되었다. 압력 감지 필름 분석 결과, MoS2 희생막이 적용된 전지는 전체 표면에서 균일한 압력 분포를 보였으며, 이는 계면 접촉 안정성과 리튬 도금 균일성 향상에 직접적으로 기여한 것으로 분석된다. 실제 단면 전자현미경 분석 결과, MoS2 전지를 통한 리튬 도금 두께는 약 5.6μm로 일정하게 유지된 반면, SUS 전지는 4.1~6.0μm로 불균일한 두께를 나타냈다.

◯ XRD 및 XPS 분석에서도 충·방전 과정 중 MoS2가 완전히 Mo 금속과 Li2S로 전환되고, 이들이 계면에 잔존하여 충·방전 반복 시에도 안정적인 계면 구조를 유지함을 확인했다. 이는 기존 전고체 전지에서 반복 충·방전에 따라 발생하던 계면 파괴와 용량 급감 문제를 해결할 수 있음을 의미한다.

◯ 이번 개발한 기술을 전고체 전지에 적용한 전지 평가 결과도 우수했다. 이황화몰리브덴 희생막을 적용한 전지는 기존 SUS 전극 활용 전지 대비, 초기 방전 용량이 1.18배(136.1 → 161.1 mAh/g), 수명은 7배 향상되었다.(20회 사이클 후 용량 유지율이 8.3% → 58.9%)

연구 관련 이미지 및 사진

□ [그림 1] 2차원 이황화몰리브덴 박막 활용하여 차세대 무음극 전고체 전지 성능 및 안정성 향상

□ [그림 2] 화학연 서동범 박사후연구원이 유기화학 기상증착 (MOCVD) 장비를 조작하고 있다

□ [그림 3] 사각형 조각으로 자른 스테인리스강 (SUS)에 이황화몰리브덴 박막을 코팅하기 위해 유기화학기상증착 (MOCVD) 장비에 넣은 모습

□ [그림 4] 논문 주요 기여자(왼쪽부터 화학연 서동범 박사후연구원(1저자), 안기석 책임연구원(교신저자), 충남대 김도훈 석사후연구원(1저자), 박상백 교수(교신저자))

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 서동범
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터
○ 전 화 : 042-860-7261
○ 이메일 : sdb987@krict.re.kr

2. 학력

○ 2011 – 2015 충남대학교 재료공학과 학사

○ 2015 – 2018 충남대학교 신소재공학과 석사

○ 2018 – 2022 충남대학교 신소재공학과 박사

3. 경력사항

○ 2022–2022 충남대학교 나노공학연구소 박사후연구원

○ 2022–현재 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터 박사후연구원

4. 전문 분야 정보

○ 진공공정 (CVD, PVD, ALD 등) 기반 저차원 나노복합소재 제조

○ 2차원 소재 기반 다원계 박막 제조 및 광전소자/에너지 소자 응용

○ 저차원 복합소재 기반 전기화학 (이차전지, 광전기화학전지) 소자 응용

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 안기석
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터
○ 전 화 : 042-860-7356
○ 이메일 : ksan@krict.re.kr

2. 학력

○ 1989 – 1991 성균관대학교 물리학과 석사

○ 1992 – 1997 성균관대학교 물리학과 박사

3. 경력사항

○ 1995 – 1996 Institute of Solid State Physics, Univ. of Tokyo 연수연구원

○ 1997 - 1999 Dept. Materials Physics, Osaka Univ. 박사후연구원

○ 1999 - 2000 Institute of Solid State Structure, Japan 박사후연구원

○ 2000 – 현재 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터 책임연구원

4. 전문 분야 정보

○ 그래핀 및 저차원 나노소재 합성·복합화 및 응용

○ 반도체·디스플레이 박막 소재 및 공정 최적화