수명·안정성·에너지밀도 동시 개선
[소셜밸류=최연돈 기자] SK온이 차세대 양극재 개발에서 의미 있는 기술적 돌파구를 마련하며 배터리 기술 리더십을 한층 굳혔다. 고밀도 대형 입자의 단결정 양극 전극 개발에 성공하며 전기차 배터리의 핵심 경쟁력으로 꼽히는 수명과 안정성, 에너지 밀도를 동시에 끌어올렸다는 평가다.
SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 공동으로 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재됐으며, 단결정 양극 소재 합성의 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다는 점에서 주목받고 있다.
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| ▲‘네이처 에너지 (Nature Energy)’에 실린 SK온과 서울대학교의 고밀도 단결정 양극재 연구 논문/사진=네이처 에너지’ 캡쳐 |
현재 배터리 업계에서 주로 활용되는 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉쳐 있는 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자 균열이 발생할 가능성이 있다. 이로 인해 내부 가스 발생과 성능 저하 문제가 뒤따를 수 있다. 반면 단결정 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 있어 균열에 강하고 안정성과 수명이 뛰어난 것이 특징이다.
다만 단결정 양극재는 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시키면서도 구조적 안정성을 확보해야 하는 어려움이 있어 업계의 대표적인 기술 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재의 경우 고온과 장시간 열처리가 필요해 양이온 무질서 현상이 발생하고, 이로 인해 배터리 성능과 수명이 저하되는 문제가 뒤따랐다.
연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 합성 방식을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤, 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 단결정의 견고한 구조를 유지한 채 양극 소재를 확보할 수 있었다.
또한 연구진은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다. 그 결과, 일반 양극재 입자 크기의 약 두 배에 해당하는 10마이크로미터 크기의 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.
해당 단결정 양극재는 기계적·화학적 안정성과 높은 에너지 밀도를 동시에 갖춘 것으로 나타났다. 테스트 결과 구조 변형이 크게 줄었고, 가스 발생량은 기존 다결정 양극재 대비 25배 감소한 것으로 확인됐다. 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달해 상용화 가능성을 한층 높였다.
SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 보다 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 모색하는 한편, 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 더욱 높이는 연구도 검토 중이다.
박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온의 기술 경쟁력을 분명히 보여주는 사례”라며 “앞으로도 학계와의 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하며 기술 리더십을 강화해 나가겠다”고 말했다.
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