SK온이 강기석 서울대학교 교수 연구팀과 공동으로 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 차세대 배터리 핵심 소재인 단결정 양극재 분야에서 의미 있는 연구 성과를 내며 배터리 성능 개선을 이룰 것으로 기대된다.
세계적 권위의 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재된 이번 연구 결과는 단결정 양극재 합성의 기술적 한계를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다. 이를 통해 배터리 수명과 안정성, 에너지 밀도를 동시에 끌어올릴 수 있는 길을 열었다는 게 SK온 설명이다.
현재 상용화된 다결정 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 미세 균열을 일으켜 성능 저하로 이어진다. 반면 단결정 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열에 강하고 안정성과 수명이 뛰어나다.
다만 단결정 양극재 입자를 크고 균일하게 성장시키고 구조적 안정성을 확보해야 하는 점에서 난도가 높다. 특히 니켈 함량이 높은 양극재일수록 고온·장시간 열처리가 필요한데 이 과정에서 배터리 성능과 수명을 떨어뜨리는 문제가 있었다.
SK온과 서울대 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 소재 합성 방법을 고안했다. 구조적으로 안정성이 뛰어난 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 튼튼한 단결정 구조를 유지한 채 양극재를 확보할 수 있게 된 것이다.
연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다. 그 결과 일반 양극재 대비 약 2배 수준인 10μm 크기의 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈(니켈 함량 94% 이상) 단결정 양극재 개발에 성공했다.
에너지 밀도 등 성능도 우수하다. 해당 단결정 양극재는 구조 변형이 크게 줄어들었고 가스 발생량은 기존 다결정 양극재 대비 25배 감소했다. 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달했다.
SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 토대로 후속 연구를 이어갈 계획이다. 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 모색하고 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 높이는 방안을 검토하고 있다.
박기수 SK온 미래기술원장은 “배터리 소재 분야에서 지닌 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례”라며 “학계와 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화하겠다”고 말했다.
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