SK온, 실리콘 음극 전고체 난제 해결할 신소재 개발

SK온이 신소재 개발을 통해 실리콘 음극 전고체 배터리 상용화의 난제로 꼽혀 온 성능 저하 문제 해법을 내놓았다.

SK온은 연세대 정윤석·김정훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 음극재에 최적화한 신소재 바인더 전자전도성 고분자(PPMA)를 개발했다고 15일 발표했다. PPMA는 전도성과 접착력을 동시에 확보해 실리콘 음극 전고체 배터리에서 반복 충·방전 시 발생하는 구조적 불안정 문제를 개선할 수 있는 소재다.

국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 실린 SK온과 연세대의 전자전도성 고분자 소재 연구 논문. / SK온 제공

실리콘 음극은 이론적으로 흑연 대비 약 10배에 달하는 저장 용량을 지녀 고에너지밀도 배터리 핵심 소재로 주목받고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 변하는 문제는 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 배터리 팽창∙수축으로 입자 간 접촉이 끊기고 내부 저항이 커지면 에너지 밀도와 용량은 물론 수명·출력·효율 등 배터리의 성능을 제대로 구현하기 어렵다.

전고체 배터리는 고체 입자 간 접촉을 통해 전기가 흐르는 구조다. 접촉이 끊어질 경우 회복이 어렵기 때문에 접착 물질인 바인더 사용을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 활용됐다. 하지만 기존에 바인더로 널리 사용돼 온 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 소재는 절연성이 강해, 사용량을 늘릴수록 전극 성능을 높이기 어려운 한계가 있다.

SK온과 연세대 연구진은 저압 환경에서의 성능 저하 원인이 리튬이온 전달보다 전극 내부의 전자 이동에 있음을 밝혀냈다. 이에 따라 새롭게 개발한 PPMA 소재는 전극 전반에 전자가 이동할 통로를 안정적으로 형성하면서, 실리콘 입자 결합을 강화하도록 설계됐다.

또한 이번에 개발한 신소재 바인더는 공정 단순화 및 생산 효율성도 높일 수 있다. 기존에는 특수 용매와 많은 압력이 필요했으나 PPMA는 물 기반 공정이 가능해 환경 부담을 줄이고 제조 비용도 절감된다. 압력도 80% 이상 낮췄다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’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 전고체 배터리 상용화를 목표로 연구개발과 생산 준비를 병행하고 있다. SK온은 대전 미래기술원에 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 구축했으며, 상용화 목표 시점은 2029년이다.

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

정미하 기자(viva@chosunbiz.com)

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