새로운 소재 합성 방법 고안…고밀도 대형 입자 단결정 양극 개발 성공
서울대학교와 연구 협력…세계적 권위 학술지 ‘네이처 에너지’에 논문 게재

[토요경제 = 양지욱 기자] SK온이 배터리 에너지 밀도를 획기적으로 개선한 ‘단결정 양극재 개발’에 성공했다.
 

▲ 네이저 에너지밀도 캡쳐/자료=SK온

SK온은 서울대 강기석 교수 연구팀과 함께 ‘고밀도 대형 입자 단결정 양극재’ 개발에 성공해 세계 권위 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재됐다고 8일 밝혔다.

SK온은 이번 연구가 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고, 새로운 합성 경로를 제시해 배터리 수명·안정성·에너지 밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것이라고 설명했다.

배터리업계에서는 현재 다결정 양극재를 사용한다. 다결정 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스 발생 가능성이 있다.

반면 단결정 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이뤄져 있어 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다. 다만 합성 과정에서 입자를 크게 키우면서도 균일성과 구조적 안정성을 함께 확보하기가 쉽지 않다는 점이 업계의 난제로 꼽혀 왔다.

특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정 형성에 고온·장시간 열처리가 요구되는데, 이 과정에서 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능 및 수명 저하로 이어질 수 있다는 지적도 제기돼 왔다.

SK온과 서울대 연구진은 이 난제를 해결하기 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다.

 

양 기관의 연구진은 대형 입자 단결정이 높은 에너지 밀도 구현에 유리하다는 점에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘도 함께 분석했다.

그 결과 일반 양극재 입자 크기의 약 2배에 달하는 10마이크로미터(μm) 크기의 입자로 구성된 ‘울트라 하이니켈’ 단결정 양극재 개발에 성공했다.

이번에 개발한 다결정 양극재는 양이온 무질서가 없다는 점이 특징이며, 테스트 결과 구조 변형이 감소하고 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배 줄어든 것으로 나타났다. 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준으로 평가됐다.

SK온과 서울대 연구진은 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 예정이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 지닌 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례”라며 “앞으로도 학계와 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다”고 말했다.

 

토요경제 / 양지욱 기자 yjw@sateconomy.co.kr

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