SK온, ‘전고체배터리’ 수명 개선 연구 성과 국제학술지 게재… 충·방전 횟수 3배↑

SK온 전고체 배터리(고분자 산화물 복합계 배터리)

SK온이 전고체 배터리 연구 성과를 앞세워 차세대 제품 기술 선점을 꾀하고 있다.

SK온은 한양대학교 김동원 교수팀과 함께 황화물계 전고체 배터리 수명을 높일 수 있는 연구 성과를 거뒀다고 6일 밝혔다. 리튬메탈 음극 표면에 보호막을 형성해 배터리 안전성과 수명을 끌어올리는 개념이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지·화학 분야 국제학술지인 ‘ACS에너지레터(ACS Energy Letters)’ 4월호에 게재됐다. 관련 국내외 특허 출원도 완료했다고 한다.

전고체 배터리의 음극 소재로 주목받는 리튬메탈은 기존 흑연 대비 약 10배에 달하는 용량과 낮은 전기화학적 전위를 바탕으로 에너지밀도 향상과 고출력 구현에 용이한 것으로 알려졌다. 다만 리튬메탈은 공기와 반응이 쉬워 표면에 무기물이 불균일하게 형성돼 리튬이온의 이동을 방해한다. 이로 인해 충·방전 효율을 떨어뜨리고 덴드라이트가 발생해 배터리 수명을 단축시킨다. 덴드라이트는 충전 과정에서 리튬 금속이 음극에서 불규칙한 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 현상을 말한다.

SK온 전고체 배터리

때문에 리튬메탈 음극을 적용해 전고체 배터리 개발 시 상온에서 충·방전 횟수가 100회로 제한되는 것이 단점으로 여겨졌다.

SK온은 이러한 전고체 배터리의 짧은 수명 문제를 해결하기 위해 리튬메탈 음극을 특수 용액에 담가 무기물을 제거하고 전도성이 높은 리튬나이트라이드(Li3N)와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드(Li2O) 기반 보호막을 개발했다고 밝혔다. 특수 용액은 나이트로메테인(NM)과 메톡시에테인(DME), 리튬나이트레이트(LiNO₃) 등을 혼합한 용액이라고 소개했다.

이를 통해 계면 안전성을 확보했고 실험 결과 상온에서 300회 이상 충·방전이 가능했다고 전했다. 기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘린 셈이다.

국제학술지에 게재된 SK온 전고체 배터리 연구논문

또한 연세대학교 박종혁 교수팀과는 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE, Gel Polymer Electrolyte) 경화(굳어지는 현상) 시간과 배터리 수명의 관계를 규명했다고 한다. 해당 연구결과는 지난 2월 화학 분야 국제학술지 ‘앙게반테케미(Angewandte Chemie)’에 게재됐다.

해당 연구에 따르면 젤 고분자 전해질의 열 경화 시간이 길수록 배터리 성능 유지에 유리한 것으로 나타났다. 60분간 열 경화된 전해질을 사용한 배터리는 방전 용량이 9.1% 감소했지만 20분만 열 경화한 경우에는 34%가량 줄어드는 결과를 보였다는 설명이다. 경화 시간이 짧으면 양극 보호층이 쉽게 분해돼 용량이 줄어들게 되고 이는 배터리 수명 저하를 의미한다. SK온은 양자역학 밀도 범함수 이론(DFT, Density Functional Theory) 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층 부반응으로 인해 양극 성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다고 전했다. SK온은 해당 연구 성과가 고분자 산화물 복합계 배터리의 수명 향상에 기여할 것으로 보고 있다.

국제학술지에 게재된 SK온 전고체 배터리 연구논문

박기수 SK온 R&D본부장은 “이번 성과는 SK온의 지속적인 연구·개발 노력과 기술적 저력이 학계 협력을 통해 결실을 맺은 것”이라며 “차세대 배터리로 주목받는 전고체 배터리의 기술적 난제를 해소하는데 핵심 토대가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

SK온은 고분자 산화물 복합계와 황화물계 등 2종의 전고체 배터리 개발을 추진하고 있다. 오는 2028년과 2030년(황화물계) 상용화를 목표로 하고 있다.

김민범 기자 mbkim@donga.com