SK온, 실리콘 음극 성능 저하 문제 해결 "전고체 상용화 핵심 해법"

[장지현 기자]

네이처 커뮤니케이션스에 실린 SK온과 연세대학교의 전자전도성 고분자 소재 연구 논문. 사진=SK온(네이처커뮤니케이션스 갈무리)

실리콘 음극 전고체 배터리 상용화의 난제로 꼽혀 온 성능 저하 문제의 해법을 SK온이 제시했다. 앞서 단결정 양극재 연구 성과를 공개한 것에 이은 성과로 배터리 기술 리더십을 공고히 하고 있다는 평가다.

SK온은 연세대학교 정윤석∙김정훈 교수팀과 함께 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 'PPMA(전자전도성 고분자)'를 개발했다고 15일 밝혔다.

PPMA는 PEDOT:PSS(전자전도성 고분자)에 말레산을 도입해 접착력을 보다 향상시킨 전자전도성 고분자다. 전도성과 접착력을 동시에 확보한 신소재 바인더로, 연구팀은 기존 실리콘 음극 전고체 배터리가 가지고 있는 구조적 안전성 문제를 해결했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 지난달 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.

특히 이번 성과는 실험실 수준의 테스트용 배터리를 넘어 실제 전기차 적용 조건에서 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 검증했다는 데 의미가 있다. 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. 그러나 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 변하는 문제가 상용화 과제로 지목돼 왔다. 팽창∙수축으로 입자 간 접촉이 끊기고 내부 저항이 커지면 에너지 밀도와 용량은 물론 수명·출력·효율 등 배터리의 성능을 제대로 구현하기 어렵다.

전고체 배터리는 전극을 이루는 고체 입자들 간 접촉을 통해서만 전기가 흐르는 구조다. 접촉이 끊어질 경우 회복이 어렵기 때문에 접착 물질인 바인더 사용을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 활용돼 왔다. 기존 바인더로 널리 사용돼 온 PVDF(폴리비닐리덴플로라이드) 소재는 절연성이 강해 사용량을 늘릴수록 전극 성능을 높이기 어려운 한계가 있었다.

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

공정 단순화 및 생산 효율 향상이 특히 두드러진다. 기존 방법에선 특수 용매와 많은 압력이 필요했으나 PPMA는 물 기반 공정이 가능해 환경 부담을 줄이고 제조비용도 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.

한편 SK온은 전고체 배터리 양산 준비 속도를 내고 있다. 2025년 하반기 대전 미래기술원 내 약 4628㎡(약 1400평) 규모의 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공했다. 전고체 배터리 상용화 목표 시점은 2029년이며 국내 유수 대학과의 공동 연구 등 산학 협력도 확대 중이다.

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