SK온, 실리콘 음극 난제 풀었다…전고체 배터리 '저압 구동' 입증

[서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = SK온이 실리콘 음극 전고체 배터리의 성능 저하 문제 해법을 제시했다. 신소재 바인더 개발로 저압 구동을 구현하며 상용화 장벽을 낮췄다. 대학 협업 성과를 잇달아 내놓으며 기술 리더십도 강화했다.

SK온은 연세대 정윤석·김정훈 교수팀과 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 '전자전도성 고분자(PPMA)'를 개발했다고 15일 밝혔다. PPMA는 전도성과 접착력을 함께 확보한 소재다. 기존 실리콘 음극 전고체 배터리의 구조적 안전성 문제를 해결했다고 회사는 설명했다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다. 심사위원들은 전고체 환경에서 전도성 고분자 바인더를 안정적으로 구현한 점에 주목했다.

'네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 실린 SK온과 연세대학교의 전자전도성 고분자 소재 연구 논문 [사진=SK온]

SK온은 PPMA를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 가까운 압력 조건에서 구동하는 데 성공했다. 실험실용 테스트 셀을 넘어 전기차 적용 조건을 반영한 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 확인했다. 수백 회 충·방전 시험 뒤에도 용량 저하 없이 초기 성능을 유지했다고 밝혔다.

실리콘 음극은 이론 저장 용량이 흑연의 약 10배다. 차세대 고에너지밀도 배터리의 핵심 소재로 꼽힌다. 다만 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 변한다. 팽창과 수축이 반복되면 입자 간 접촉이 끊긴다. 내부 저항이 커지며 수명, 출력, 효율이 떨어지는 문제가 뒤따른다.

전고체 배터리는 고체 입자 간 접촉으로 전기가 흐른다. 접촉이 끊기면 회복이 어렵다. 그래서 바인더 사용량을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 쓰였다. 하지만 기존에 널리 쓰인 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)는 절연성이 강하다. 사용량이 늘수록 전극 성능을 끌어올리기 어렵다는 한계가 있었다.

SK온과 연세대 연구진은 저압 환경의 성능 저하 원인이 리튬이온 전달보다 전극 내부 전자 이동에 있다는 점을 확인했다. PPMA는 전극 전반에 전자가 이동할 통로를 안정적으로 만들도록 설계됐다. 실리콘 입자 결합도 강화했다.

공정 측면에서도 변화가 크다. 기존 방식은 특수 용매와 높은 압력이 필요했다. PPMA는 물 기반 공정이 가능하다. 환경 부담을 줄이고 제조비용 절감 효과도 기대된다고 SK온은 밝혔다. 압력은 80% 이상 낮췄다.

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

SK온은 전고체 배터리 양산 준비도 병행한다. 지난해 하반기 대전 미래기술원 내 약 4628㎡(약 1400평) 규모 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공했다. 상용화 목표 시점은 오는 2029년으로 잡았다. 국내 유수 대학과의 공동 연구도 확대하고 있다.

syu@newspim.com

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