SK온 '꿈의 배터리' 전고체 신기술, 세계서 인정 받았다

ACS 에너지 레터스 등 국제 학술지에 잇단 게재

[이데일리 김정남 기자] SK온이 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 연구 성과를 유명 국제 학술지에 잇따라 발표하며 기술 선점에 나섰다.

SK온은 한양대 김동원 교수팀과 함께 황화물계 전고체 전지의 수명을 높이는 연구에 성공했다고 6일 밝혔다. 리튬 메탈 음극 표면에 보호막을 형성해 배터리의 안전성과 수명을 끌어올리는 방식이다.

에너지·화학 분야의 국제적인 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스’(ACS Energy Letters) 4월호에 실린 SK온의 연구 성과. (출처=SK온, ACS 에너지 레터스)

이번 연구는 에너지·화학 분야의 국제적인 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스’(ACS Energy Letters) 4월호에 실렸다. 국내외 특허 출원도 완료했다.

리튬 메탈은 전고체 배터리의 차세대 음극 소재다.기존 흑연 대비 약 10배에 달하는 용량과 낮은 전기화학적 전위를 바탕으로 에너지 밀도 향상과 고출력 구현의 핵심으로 떠오르고 있다.

SK온은 전고체 배터리의 짧은 수명 문제를 해결하기 위해 리튬 메탈 음극을 특수 용액에 담가 무기물을 제거하고 전도성이 높은 리튬나이트라이드(Li3N)와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드(Li2O) 기반 보호막을 형성시켰다. 이를 통해 계면 안전성을 확보했다. 또 실험 결과 상온에서 300회 이상 충방전이 가능했다. 기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘린 셈이다.

SK온은 아울러 연세대 박종혁 교수팀과 함께 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE) 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. 이 연구는 지난 2월 화학 분야 국제 학술지인 ‘앙게반테 케미’(Angewandte Chemie)에 게재됐다.

연구에 따르면 젤 고분자 전해질의 열 경화 시간이 길수록 배터리 성능 유지에 유리한 것으로 나타났다. 60분간 열 경화한 전해질을 사용한 배터리는 방전 용량이 9.1% 감소했지만, 20분만 열 경화한 경우 34%가량 줄어드는 결과를 보였다. 경화 시간이 짧으면 양극 보호층이 쉽게 분해돼 용량이 줄어들게 된다. 이는 배터리 수명이 저하한다는 의미다.

이번 연구에서 SK온은 양자역학 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층의 부반응으로 인해 양극 성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다. SK온 관계자는 “이번 연구 성과를 토대로 고분자 산화물 복합계 배터리 수명 향상에 기여할 것으로 예상된다”고 했다.

박기수 SK온 연구개발(R&D)본부장은 “SK온의 지속적인 R&D 노력이 학계와 협력을 통해 맺은 결실“이라며 “차세대 배터리로 주목받는 고체 전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 될 것”이라고 했다.