SK온, '꿈의 배터리' 전고체 난제 해결 앞장선다

전고체 기술, 국제 학술지에 잇따라 게재

ACS Energy Letters 표지. 사진제공=SK온

SK온이 전고체 배터리 연구개발 성과를 잇따라 발표하고 기술력 강화에 박차를 가한다. 도전적인 기술 탐색과 다양한 파트너십을 통해 제조 공정 및 소재 혁신을 이끌고 차세대 배터리 경쟁력을 키운다는 전략이다.

SK온은 국내 유수 대학기관과 함께 진행한 전고체 배터리 연구개발과제의 결과물이 논문으로 작성돼 최근 국제 학술지에 연이어 게재됐다고 13일 밝혔다. 일부 연구 결과에 대해서는 국내외 특허 출원도 완료했다.

SK온이 한국세라믹기술원 김진호 박사 연구팀과 함께 진행한 연구는 초고속 광(光)소결 기술을 적용한 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리 제조 공정 고도화가 핵심이다. 인쇄 회로 기판 공정에 주로 활용되는 광소결 기술을 배터리 제조에 접목시킨 획기적인 연구라는 평이다. 광소결(Photonic sintering)은 강한 빛 에너지를 순간적으로 가해 분말 입자의 결합을 촉진시켜 강도, 내구성 등이 향상된 고체 덩어리를 만드는 공정을 말한다.

해당 연구를 다룬 논문은 에너지·화학 분야의 저명한 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 표지 논문으로 실렸다. 논문 저자 9명 중 6명이 SK온 구성원이다.

전고체 배터리는 현재 리튬이온 배터리에 적용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리로 이른바 '꿈의 배터리'로 불린다. 고체 전해질 종류는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 나뉜다.

산화물계 전해질 소재는 리튬이온 이동 경로 및 기계적 강도 증가를 위해 일반적으로 1000도 이상의 고온 및 10시간 이상의 열처리 공정을 요구한다. 하지만 제조 원가 부담과 더불어 소재의 취성 파괴와 같은 취약점이 대두되며 대(大)면적화가 과제로 여겨졌다. 취성 파괴(Brittle fracture)는 재료가 파괴될 때 변형 없이 갑자기 부서지는 현상이다.

SK온은 빠른 속도와 저온 열처리가 특징인 광소결 기술을 해법으로 제시했다. 먼저 연구진은 조사된 빛 에너지의 손실을 최소화하는 유색 무기 안료를 발견해 산화물 전해질 소재에 적용시켰다. 이와 함께 선택적으로 수 초안에 열처리를 가능케하는 초고속 광소결 기술을 활용, 최적의 균일성을 갖는 다공성 구조체를 만드는데 성공했다.

더 나아가 연구진은 초고속 광소결 기술로 제조된 산화물 내부에 고분자 전해질을 포함하는 고분자-산화물 복합전해질을 성공적으로 구현하였다. 실험 결과 이 전해질이 적용된 배터리는 우수한 수명 특성을 나타냈다.

Advanced Energy Materials 표지. 사진제공=SK온

SK온은 망간리치(Li- and Mn-rich layered oxides·LMRO) 양극재의 황화물계 전고체 배터리 적용 가능성을 분석한 연구 결과도 공개했다.

서울대학교 이규태 교수 연구팀과 진행한 이 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'의 표지 논문으로 지난달 발간도됐다. LMRO 활물질의 열화 메커니즘을 상세히 규명해 성능 위주로 다룬 기존 연구와 차별되었다는 평가를 받는다.

LMRO 양극재는 니켈, 코발트보다 저렴한 망간이 기반이 돼 원가적 이점이 크다. 다만 기존 리튬이온배터리에 적용시 액체 전해질 부반응로 인한 가스 발생, 전압 강하·용량 감소 등의 난제가 있어 업계는 전고체 배터리 적용 가능성에 대해 연구해왔다.

SK온은 고온·고전압 조건 아래 충·방전 중 LMRO 활물질에서 발생한 산소(O₂)가 황화물계 고체전해질을 산화시켜 열화가 발생하는 현상을 여러 분석을 통해 규명했다. 이를 해결하기 위해 산소 발생을 저감하는 특수 코팅재를 적용해 배터리 수명을 개선하는 방법도 찾아냈다.

박기수 SK온 R&D 본부장은 "이번 성과는 SK온의 적극적 연구개발과 뛰어난 기술 역량이 학계·기관의 전문가들과 시너지를 만들어 이뤄낸 것"이라며 "SK온은 차세대 배터리 분야를 선도하기 위해 연구개발에 더욱 매진하겠다"고 말했다.

한편, SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2027년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 목표다. 대전 배터리연구원에 건설 중인 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 올해 하반기 완공 예정이다.

정동훈 기자 hoon2@asiae.co.kr