SK온, 이온전도도 10배 높인 고체 배터리 소재 개발

리튬 이온 운반율 높여 상온에서도 구동
고속충전 성능 확보

SK온이 상온에서도 구동할 수 있는 리튬메탈 배터리용 고분자 전해질 공동개발에 성공했다.

SK온은 미국 텍사스대의 하디 카니 교수 연구팀과 신규 고분자 전해질인 'SIPE(single-ion conducting polymer electrolyte)'를 개발했다고 16일 밝혔다.

SK온 '인터배터리 2024' 부스 조감도. [사진출처=연합뉴스]

고분자 전해질은 가격이 저렴하고 제조가 용이해 차세대 고체 배터리 소재로 주목받는다. 하지만 산화물계, 황화물계에 비해 이온전도도가 낮아 70~80°C의 고온에서만 구동하는 점이 극복해야 할 과제 중 하나로 여겨진다.

SIPE는 이온전도도와 리튬 이온 운반율을 개선해 이를 해결했다. 기존 고분자 전해질 대비 상온 이온전도도를 약 10배까지 끌어올렸으며, 리튬 이온 운반율도 5배 가까이 늘렸다.

실험 결과 SIPE를 적용한 배터리는 저속 충·방전 대비 고속 충·방전 시에도 배터리 방전용량이 77%를 유지했다. 고체 전해질은 이온 전도도가 낮아 고속 충전 시 방전 용량 저하가 두드러지는데, 이를 최소화한 셈이다.

고체 전해질 계면 안정성을 높여 덴드라이트 형성도 억제했다. 리튬메탈 배터리는 음극으로 흑연이 아닌 금속 리튬을 사용해 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있지만, 상용화를 위해서는 덴드라이트 현상 해결이 필수적이다.

이 밖에도 SIPE는 열적 안전성이 우수해 250℃ 이상 고온에도 견딜 수 있다.

SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2025년, 2026년 파일럿 시제품을 생산하고 2028년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 목표다.

SK온은 2020년부터 노벨 화학상 수상자인 굿 이너프 텍사스대 교수팀과 리튬메탈 배터리 구현을 위한 고체 전해질을 공동 개발해왔다. 작년 6월 이너프 교수 별세 후 제자인 카니 교수가 연구팀을 이끌고 있다.

김태경 SK온 차세대배터리센터장은 "이번 연구 성과를 바탕으로 고분자 전해질을 적용한 고체 배터리 개발에 한층 속도를 높일 수 있을 것으로 기대한다"며 "신규 소재 기술 경쟁력을 바탕으로 향후 차세대배터리 분야의 성장 기회를 선점해 나갈 것"이라고 말했다.

이성민 기자 minute@asiae.co.kr