SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.
네이처에너지 논문 캡쳐. SK온 제공세계 최고 권위 학술지인 '네이처 에너지'에 실린 이번 연구는 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시해 배터리 수명∙안정성∙에너지밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것으로 평가받는다.
현재 업계에서 사용되는 다결정 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스 발생 가능성이 있다. 배터리를 충전하고 쓰다 보면 여러 입자들이 낱개로 흩져버리면서 성능이 떨어지기 때문이다. 반면 단결정 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이뤄져 있어 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다. 작은 돌멩이들을 모아놓은 것보다 바위를 깨기 어려운 것과 같은 구조다.
다만 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시킴과 동시에 구조적 안정성까지 확보하는 것이 어려워 업계의 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정을 생성하기 위해서는 고온∙장시간 열처리가 필요한데 이 경우 '양이온 무질서' 현상이 나타나 배터리 성능∙수명 저하 등의 문제가 있다.
양이온 무질서는 니켈 기반 양극 소재에서 리튬과 니켈 이온의 비슷한 크기 때문에 각자 있어야 할 층을 벗어나 서로 뒤섞여 배열되는 현상으로 리튬 이온 이동이 원활하지 않게 되면서 배터리 출력, 충∙방전 속도 저하 등을 야기한다.
SK온과 서울대 연구진은 문제 해결을 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 처음부터 리튬을 넣는 대신, 고온에서도 구조가 안정적이고 결정 성장이 쉬운 나트륨을 이용해 튼튼한 단결정 뼈대를 먼저 만드는 방식이다. 이후 뼈대가 완성되면 나트륨을 리튬으로 바꿔치기하는 '이온 교환' 과정을 거친다. 이 방식을 통해 연구팀은 열처리 과정에서의 구조 붕괴 없이, '울트라 하이니켈' 단결정 양극재를 성공적으로 구현해냈다.
SK온과 서울대 연구진은 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 예정이다. 이번 연구 결과를 바탕으로 한층 더 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 찾고 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적의 비율로 조합해 에너지 밀도를 높이는 연구도 검토 중이다.
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.