SK온, ‘단결정 양극재’ 원천기술 손에 쥐어..네이처 에너지 등재

[데일리카 김경현 기자] SK온이 차세대 전기차 배터리 핵심 소재인 단결정 양극재에서 합성 난제를 풀었다. 배터리 수명·안정성·에너지 밀도를 동시에 끌어올릴 수 있는 원천기술을 확보했다는 평가다.

SK온은 서울대 강기석 교수팀과 함께 대형 입자로 이뤄진 고밀도 단결정 양극 전극을 개발해 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 연구 성과를 게재했다고 8일 밝혔다.

현재 주로 쓰이는 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조라 충·방전과 압연 과정에서 쉽게 금이 가고, 이때 가스가 발생해 수명과 안전성에 부담이 된다.

단결정 양극재는 입자 하나가 온전히 한 덩어리 결정으로 이뤄져 균열에 강하지만, 입자를 크게·균일하게 키우면서 구조 안정성까지 유지하는 합성 기술이 어려워 상용화가 막혀 있었다.

특히 니켈 함량이 높은 양극재는 고온·장시간 열처리가 필요해 리튬·니켈 이온이 뒤섞이는 ‘양이온 무질서’가 생기기 쉽다. 이 경우 리튬 이동이 막혀 출력과 충전·방전 성능이 떨어지는 게 업계의 고질적인 문제였다.

연구진은 구조가 튼튼하고 결정성장이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤, 이온 교환을 통해 나트륨을 리튬으로 바꾸는 우회 합성법을 제시했다. 기존처럼 바로 리튬 단결정을 키우는 대신, ‘나트륨 틀’을 이용해 큰 입자를 안정적으로 만든 뒤 리튬으로 갈아끼우는 방식이다.

이 과정으로 일반 양극재보다 약 2배 큰 10μm급 입자로 구성된 ‘울트라 하이니켈’(니켈 94% 이상) 단결정 양극재가 구현됐다. 시험 결과, 양이온 무질서가 사실상 발생하지 않아 구조 변형이 줄었고, 가스 발생량은 기존 다결정 양극재 대비 25분의 1 수준으로 감소했다. 에너지 밀도는 이론적 최대치의 약 77%에 도달한 것으로 나타났다.

박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 보유한 기술 경쟁력을 보여주는 사례다”며 “앞으로도 학계와 협력을 강화해 혁신적인 연구개발을 지속하고 배터리 기술 리더십을 한층 공고히 하겠다”고 말했다.