SK온·서울대, 차세대 배터리 핵심소재 ‘대입자 단결정 양극재’ 구현

네이처 에너지에 실린 단결정 양극소재 연구 논문 캡쳐. [사진=SK온]

[이뉴스투데이 노태하 기자] SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 ‘고밀도 단결정 양극재’ 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

이번 연구 성과는 배터리 분야 세계 최고 권위 학술지인 네이처 에너지에 게재됐다. 단결정 양극 소재 합성 과정에서의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시함으로써, 배터리 수명과 안정성, 에너지 밀도를 동시에 끌어올릴 수 있는 전기를 마련했다는 평가다.

현재 상용화된 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 미세 균열이 발생하기 쉽고 이로 인해 내부 가스 발생 가능성이 존재한다. 반면 단결정 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열이 적고, 안정성과 수명 측면에서 우수한 특성을 지닌다.

그러나 단결정 양극재는 입자를 크게 키우면서도 균일성과 구조적 안정성을 동시에 확보하기 어렵다는 점이 상용화의 핵심 난제로 꼽혀 왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극재일수록 고온·장시간 열처리가 필요하고, 이 과정에서 양이온 무질서가 발생해 성능과 수명을 저하시킬 수 있다는 한계가 지적돼 왔다.

SK온과 서울대 연구진은 이를 해결하기 위해 새로운 합성 방식을 도입했다. 결정 성장이 용이하고 구조적 안정성이 높은 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤, 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 연구진은 화학 조성, 온도, 시간 등 최적 조건과 결정 성장 메커니즘을 함께 분석하며 대형 입자 단결정 형성 원리를 규명했다.

그 결과 일반 양극재 대비 약 2배 크기인 10마이크로미터(μm) 입자로 구성된 ‘울트라 하이니켈’ 단결정 양극재 개발에 성공했다. 해당 양극재는 양이온 무질서가 나타나지 않았으며, 시험 결과 구조 변형이 줄고 가스 발생량은 다결정 양극재 대비 25배 감소한 것으로 나타났다. 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준으로 평가됐다.

SK온과 서울대는 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 지닌 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례”라며 “앞으로도 학계와 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다”고 말했다.