SK온, 단결정 양극재 연구 성과로 배터리 기술 리더십 강화

서울대와 공동 연구, '네이처 에너지' 게재로 차세대 소재 경쟁력 입증

네이처에너지 논문 캡쳐 사진(사진=SK온 제공)

네이처에너지 논문 캡쳐 사진(사진=SK온 제공)

SK온이 차세대 배터리 핵심 소재인 단결정 양극재 분야에서 획기적인 연구 성과를 내며 기술 리더십을 한층 강화했다.

SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재되며 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.

기존에 널리 사용돼 온 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로, 충·방전 과정이나 압연 공정에서 균열이 발생해 내부 가스 생성과 수명 저하 가능성이 있다는 한계가 있었다.

반면 단결정 양극재는 하나의 결정 구조로 이뤄져 있어 구조적 안정성이 높고 수명과 안전성 면에서 강점을 지닌다.

다만 단결정 양극재는 합성 과정이 까다롭다는 점이 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 소재일수록 고온·장시간 열처리가 필요해 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능과 수명을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

SK온과 서울대 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 먼저 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 만든 뒤, 이온 교환 방식으로 리튬을 치환하는 전략을 적용해 구조적 안정성을 유지한 고품질 단결정 양극재를 확보하는 데 성공했다.

연구진은 또 에너지 밀도 향상에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건을 체계적으로 분석했다.

그 결과, 일반 양극재보다 약 두 배 큰 10마이크로미터(μm) 크기의 입자로 구성된 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다. 니켈 함량이 94%를 넘는 이 소재는 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기차 주행거리 향상에 기여할 것으로 기대된다.

실험 결과 이 단결정 양극재는 기계적·화학적 안정성이 뛰어나고, 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 크게 줄어든 것으로 나타났다.

특히 가스 발생량은 기존 다결정 양극재 대비 25배 감소했으며, 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달하는 성과를 보였다.

SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 바탕으로 후속 연구에도 박차를 가할 계획이다. 보다 고도화된 소재 조성과 합성 기술을 모색하는 한편, 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 더욱 높이는 연구도 추진 중이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 보유한 기술 경쟁력을 입증하는 사례"라며 "앞으로도 학계와의 긴밀한 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 이어가며 글로벌 배터리 기술 리더십을 더욱 공고히 하겠다"고 말했다.
서산=임붕순 기자 ibs9900@