SK온이 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리 연구 성과를 국제 학술지에 잇따라 발표하며 차세대 배터리 기술 선점에 나섰다. SK온은 학계와 연구 협력을 통해 미래 시장을 겨냥한 혁신 기술을 확보하는데 박차를 가하고 있다.
SK온은 한양대학교 김동원 교수팀과 함께 황화물계 전고체 전지의 수명을 높인 연구 성과가 에너지·화학 분야 국제적 학술지인 'ACS 에너지 레터스' 4월호에 실렸다고 6일 밝혔다.
전고체 전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 리튬 메탈은 기존 소재인 흑연에 비해 약 10배에 달하는 용량과 낮은 전기화학적 전위를 가지고 있다. 이 때문에 에너지 밀도 향상과 고출력 구현할 핵심 소재로 떠오르고 있다.
다만 업계에서는 리튬 메탈이 공기 중에서 반응하기 쉬워 표면에 무기물이 불균일하게 형성되는 점을 상용화의 단점으로 꼽아왔다. 무기물층은 리튬 이온의 이동을 방해해 충∙방전 효율을 떨어뜨리고 충전 과정에서 리튬 금속이 불규칙하게 뾰족한 형상을 띄는 ‘덴드라이트’가 발생해 배터리 수명이 짧아지는 원인이 된다. 리튬 메탈 음극을 적용해 전고체 배터리를 개발하면 상온에서 충∙방전 횟수가 약 100회에 불과하다.
SK온은 이 문제를 해결하기 위해 리튬 메탈 음극을 특수 용액에 담가 무기물을 제거하고 전도성이 높은 리튬나이트라이드(Li3N)와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드(Li2O) 기반 보호막을 형성했다. 그 결과 계면 안전성이 확보되고 상온에서 300회 이상 충·방전이 가능해져 기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘리는 효과를 확인했다. SK온은 이 기술을 국내외 특허 출원했다.
SK온은 또 연세대학교 박종혁 교수팀과 함께 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE) 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. 이 연구는 지난 2월 화학 분야 국제 학술지인 '앙게반테 케미'에 게재됐다. 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 약 34%가량 줄어드는 결과를 보였다. SK온은 이번 연구 성과가 고분자 산화물 복합계 배터리의 수명을 늘리는 데 기여할 것으로 기대했다.
박기수 SK온 R&D본부장은 "이번 성과는 SK온의 지속적인 연구개발 노력과 기술적 저력이 학계와의 협력을 통해 맺은 결실"이라며 "차세대 배터리로 주목받는 고체 전지의 기술적 난제를 돌파하는 데 핵심 토대가 될 것"이라고 말했다. SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발하고 있고 각각 2028년, 2030년에는 상용화할 계획이다.
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