SK온, 단결정 양극재 연구 성과 공개…“배터리 기술 리더십 강화”

대전시 유성구 SK온 미래기술원 전경. [사진=SK온]

【투데이신문 전효재 기자】 SK온이 차세대 양극재 개발의 돌파구를 마련하며 배터리 기술 리더십을 강화했다. 

SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 세계 최고 권위 학술지 ‘네이처 에너지’에 실린 이번 연구는 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고, 새로운 합성 경로를 제시해 배터리 수명·안정성·에너지밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것이라는 게 회사의 설명이다.  

현재 업계에서 사용되는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조다. 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스 발생 가능성이 있다. 반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이루어져 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다. 

단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 키우면서도 구조적 안정성을 확보하기가 쉽지 않다는 점이 업계의 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 고온·장시간 열처리가 필요한데, 이 경우 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능·수명 저하 문제가 발생했다. 

학술지 ‘네이처 에너지’에 게재된 SK온과 서울대학교의 고밀도 단결정 양극재 연구 논문. [사진=SK온]

SK온과 서울대 연구진은 문제 해결을 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다.

연구진은 대형 입자 단결정이 높은 에너지 밀도 구현에 유리하다는 점에 주목하고 화학적 조성·온도·시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다. 

그 결과 일반 양극재 입자 크기의 약 2배에 달하는 10마이크로미터(μm) 크기 입자로 구성된 ‘울트라 하이니켈’ 단결정 양극재 개발에 성공했다. 이 양극재는 양이온 무질서가 없는 것이 특징이다. 테스트 결과 가스 발생량이 다결정 양극재 대비 25배 감소했고, 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준으로 평가됐다. 

SK온과 서울대 연구진은 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 예정이다. SK온 박기수 미래기술원장은 “이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온의 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례”라며 “앞으로도 학계와 협력을 통해 혁신적 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다”고 말했다.