SK온, 실리콘 음극 전고체 상용화 앞당긴다

SK온이 실리콘 음극 전고체 배터리의 기술적 난제로 꼽힌 성능 저하 문제의 해법을 제시했다. [사진=SK온]

【투데이신문 전효재 기자】 SK온이 신소재 개발을 통해 실리콘 음극 전고체 배터리 상용화의 난제로 꼽히는 성능 저하 문제 해법을 제시했다. 산학 협력을 통한 연구 성과를 연이어 공개하며 배터리 기술 리더십을 공고히 했다는 평가다.

SK온은 연세대 정윤석·김정훈 교수팀과 함께 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 ‘PPMA(전자전도성 고분자)’를 개발했다고 15일 밝혔다. PPMA는 전도성과 접착력을 동시에 확보한 신소재 바인더로, 기존 실리콘 음극 전고체 배터리가 가지고 있는 구조적 안전성 문제를 해결했다. 

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 지난해 12월 5일 게재됐다. 심사위원들은 이번 연구가 기존 액체 전해질 기반 배터리에서 활용이 제한됐던 전도성 고분자 바인더를 전고체 배터리 환경에서 안정적으로 구현하며 적용 범위를 넓혔다는 점에 주목했다. 

SK온은 신소재 바인더를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 가까운 압력 조건에서 구동하는 데 성공했다. 실험실 수준의 테스트용 배터리를 넘어 실제 전기차 적용 조건에서 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 검증했다는 데 의미가 있다는 평가다. 특히 수백 회에 걸친 충·방전 시험 후에도 배터리 용량 저하 없이 초기 성능을 안정적으로 유지했다. 

실리콘 음극은 이론적으로 저장 용량이 흑연의 약 10배에 달해 차세대 고에너지밀도 배터리의 핵심 소재로 주목받는다. 다만 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 변하는 문제가 상용화 과제로 지목돼 왔다. 팽창·수축으로 입자 간 접촉이 끊기면 전기가 흐르지 않는 공간이 생기고,  내부 저항을 높여 배터리의 성능을 떨어뜨린다. 

전고체 배터리는 전극을 이루는 고체 입자들의 접촉을 통해서만 전기가 흐르는 구조다. 접촉이 끊어질 경우 회복이 어려워 접착 물질인 바인더 사용을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 활용됐다. 하지만 기존에 바인더로 널리 사용된 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 소재는 절연성이 강한 한계가 있었다. 접착력을 높이려 바인더 양을 늘릴수록 전기의 흐름을 막아 효율이 떨어졌다.  

SK온과 연세대 연구진은 성능 저하 원인이 리튬이온 전달보다 전극 내부의 전자 이동에 있음을 밝혀냈다. 새롭게 개발한 PPMA 소재는 입자를 단단히 결합하면서도 전기가 통하는 통로 역할을 한다.

특히 이번 신소재 바인더는 공정 단순화 및 생산 효율 향상이 두드러진다는 평가다. 기존 방법에선 특수 용매와 많은 압력이 필요했으나 PPMA는 물 기반 공정이 가능해 환경 부담을 줄이고 제조비용도 절감된다. 압력도 80% 이상 낮췄다. 

국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스에 게재된 SK온·연세대학교의 전자전도성 고분자 소재 연구 논문 일부. [사진=SK온]

SK온은 산학 협력으로 다양한 연구 성과를 창출하고 있다. 지난 8일에는 서울대 연구진과 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 개발에 성공한 성과를 공개했다. 산학 협력을 통해 다양한 기술적 가능성을 발견하고, 확보한 기술을 바탕으로 고객사의 요구 사항에 유연하게 대응할 수 있다는 평가다. 

SK온 관계자는 “여러 학교와 오픈 이노베이션을 진행하면 더 다양한 기술적 옵션을 발견할 수 있다”며 “확보한 기술을 당장 양산에 적용할 수 있는 것은 아니지만, 향후 고객사의 기술적 요구 사항이 발생했을 때  다양한 선택지로 대응할 수 있다”고 설명했다. 

박기수 SK온 미래기술원장은 “산학 협력으로 차세대 전고체 배터리 분야에서 의미 있는 진전을 만들었다”며 “앞으로도 학계와 함께 차세대 배터리 기술 혁신의 속도를 높이겠다”고 밝혔다.