SK온-연세대, '실리콘 음극 전고체' 상용화 신소재 개발 성공

신소재 바인더 개발…실리콘 음극 '성능 저하' 해결
신소재 PPMA…전도성·접착력 동시 확보

[이데일리 박원주 기자] SK온이 연세대와 함께 실리콘 음극 전고체 배터리의 상용화 난제를 풀 신소재 개발에 성공했다. 이달 초 서울대와의 단결정 양극재 연구 결실에 이어 잇단 연구개발(R&D) 성과를 내며 배터리 기술 리더십을 강화하는 모습이다.

‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 실린 SK온과 연세대학교의 전자전도성 고분자 소재 연구 논문 캡처.(사진=SK온)

SK온은 정윤석·김정훈 연세대 교수팀과 손잡고 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 ‘전자전도성 고분자(PPMA)’를 개발했다고 15일 밝혔다. PPMA는 전도성과 접착력을 함께 확보한 것이 특징이다.

이를 통해 SK온은 실리콘 음극 전고체 배터리의 구조적 안전성 문제를 해결하게 됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 지난해 12월 5일 게재됐다. 심사위원들은 기존 액체 전해질 기반 배터리에서 활용이 제한됐던 전도성 고분자 바인더의 적용 범위가 전고체 환경으로 넓어졌다는 점에 집중했다.

구체적으로 SK온은 PPMA를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 가까운 압력 조건에서 구동하는 데 성공했다. 특히 이번 성과는 실험실 수준의 테스트용 배터리를 넘어 실제 전기차 적용 조건에서 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 검증했다는 평가가 나온다. 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 여겨진다. 다만 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 변하는 문제가 상용화 과제로 꼽혀왔다. 전고체 배터리의 경우에도 전극을 이루는 고체 입자 간 접촉을 유지하기 위해 접착 물질인 바인더 사용을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 활용돼 왔다. 그러나 기존에 널리 사용돼 온 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 소재는 절연성이 강해 사용을 확대할 수록 전극 성능을 높이기 어려운 한계가 있었다.

SK온과 연세대 연구진은 저압 환경에서의 성능 저하 원인이 리튬이온 전달보다 전극 내부의 전자 이동에 있음을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 이번 PPMA 소재는 전극 전반에 전자가 이동할 통로를 안정적으로 형성하면서, 실리콘 입자 결합을 강화하도록 설계했다.

이번 신소재 바인더는 공정 단순화 및 생산 효율 향상이 두드러진다. 기존 방법과 달리 물 기반 공정이 가능해 환경 부담을 줄이고 제조비용이 절감된다. 압력도 80% 이상 낮췄다.

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. .