SK온, ‘꿈의 배터리’ 전고체 난제 연구성과 공개

연구개발과제 논문, 국제 학술지 게재…일부 연구 결과 특허 출원

SK온과 서울대학교의 황화물계 LMRO 양극재 연구 결과가 담긴 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’의 표지. ⓒSK온

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 김진호 한국세라믹기술원 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 평가를 받았다고 SK온은 전했다.

해당 연구를 다룬 논문은 에너지화학 분야의 저명한 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스’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.

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 초 안에 열처리를 가능케 하는 초고속 광소결 기술을 활용, 최적의 균일성을 갖는 다공성 구조체를 만드는데 성공했다.

초고속 광소결 기술로 제조된 산화물 내부에 고분자 전해질을 포함하는 고분자-산화물 복합전해질도 성공적으로 구현했다. 실험 결과, 이 전해질이 적용된 배터리는 우수한 수명 특성을 나타냈다고 SK온은 설명했다.

SK온은 망간리치 양극재의 황화물계 전고체 배터리 적용 가능성을 분석한 연구 결과도 공개했다.

이규태 서울대학교 교수 연구팀과 진행한 이 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’의 표지 논문으로 지난달 발간됐다. LMRO 활물질의 열화 메커니즘을 상세히 규명해 성능 위주로 다룬 기존 연구와 차별됐다는 평가를 받는다.

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

SK온은 고온고전압 조건 아래 충방전 중 LMRO 활물질에서 발생한 산소가 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 당사의 적극적 연구개발과 뛰어난 기술 역량이 학계ž기관의 전문가들과 시너지를 만들어 이뤄낸 것”이라며 “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.