SK온, '단결정 양극재' 합성 난제 풀었다…서울대와 네이처 에너지 게재 [배터리레이다]

[디지털데일리 배태용 기자] "단결정 양극재 합성의 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다."

SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재됐다. SK온은 이번 결과가 배터리 수명과 안정성·에너지밀도를 함께 끌어올릴 수 있는 단서가 될 것으로 보고 후속 연구를 이어간다는 계획이다.

업계에서 널리 쓰이는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 균열이 생기면 내부 가스 발생 가능성이 커진다는 한계가 있다. 반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열에 강하고 수명·안정성 측면에서 유리하다는 평가를 받는다.

다만 단결정 양극재는 합성 과정에서 입자를 '크고 균일하게' 키우면서도 구조 안정성을 동시에 확보하기가 어려워 기술적 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재는 단결정 생성을 위해 고온·장시간 열처리가 필요하지만 이때 리튬과 니켈 이온이 뒤섞이는 '양이온 무질서(cation disorder)' 현상이 발생해 성능과 수명이 떨어질 수 있다.

SK온과 서울대 연구진은 이 문제를 피하기 위해 새로운 합성 방식을 제시했다. 구조 안정성이 높고 결정 성장이 비교적 쉬운 '나트륨 기반 단결정'을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 바꾸는 방식이다. 단결정 구조를 유지한 채 양극 소재를 얻는 경로를 제안한 셈이다.

연구진은 대형 입자 단결정이 에너지 밀도 구현에 유리하다는 점에도 주목했다. 화학 조성, 온도, 시간 등 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석한 결과 일반 양극재 입자 크기의 약 2배 수준인 10마이크로미터(μm) 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 '울트라 하이니켈'(니켈 함량 94% 초과) 단결정 양극재를 구현했다고 SK온은 설명했다.

테스트 결과도 공개했다. SK온은 이번 단결정 양극재가 구조 변형이 줄고 가스 발생량은 다결정 양극재 대비 25배 감소했다고 밝혔다. 에너지 밀도는 결함이 없는 완전한 결정 상태를 가정한 '이론적 결정 밀도'의 최대 77% 수준까지 도달했다고 설명했다.

SK온은 이번 연구를 바탕으로 소재 조성과 합성 방법을 더 고도화하고 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 높이는 방향도 검토한다는 방침이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 지닌 기술 경쟁력을 보여주는 사례"라며 "학계와 협력을 통해 혁신 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다"고 말했다.

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