■ 리튬 메탈 음극에 보호막 기술 적용… 황화물계 전고체 배터리 수명 3배로 향상

■ 양극 열화 메커니즘도 밝혀내… 젤 고분자 전해질 경화 시간 따라 배터리 수명 격차

SK온이 ‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 연구 성과를 유명 국제 학술지에 잇따라 발표하며 차세대 배터리 기술 선점에 나섰다. 학계와 연구 협력을 통한 혁신적 성과를 확보하겠다는 전략이다.

SK온은 한양대학교 김동원 교수팀과 함께 황화물계 전고체 전지의 수명을 높이는 연구에 성공했다고 6일 밝혔다. 리튬 메탈 음극 표면에 보호막을 형성해 배터리의 안전성과 수명을 끌어올리는 방식이다.

이번 연구는 에너지∙화학 분야의 국제적 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 4월호에 실렸다. 국내외 특허 출원도 완료했다.

전고체 전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 리튬 메탈은 기존 흑연 대비 약 10배에 달하는 용량과 낮은 전기화학적 전위를 바탕으로 에너지 밀도 향상과 고출력 구현의 핵심으로 떠오르고 있다.

리튬 메탈은 공기 중에서 반응하기 쉬워 표면에 무기물이 불균일하게 형성된다. 무기물층은 리튬 이온의 이동을 방해해 충∙방전 효율을 떨어뜨리고, 덴드라이트*가 발생해 배터리 수명이 짧아지는 원인이 된다. 리튬 메탈 음극을 적용하여 전고체 배터리를 개발하면 상온에서 충∙방전 횟수가 100회로 제한되는 것이 단점이다.

*덴드라이트 : 충전 과정에서 리튬 금속이 음극에서 불규칙한 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 현상

SK온은 전고체 배터리의 짧은 수명 문제를 해결하기 위해 리튬 메탈 음극을 특수 용액**에 담가 무기물을 제거하고 전도성이 높은 리튬나이트라이드(Li3N)와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드(Li2O) 기반 보호막을 형성시켰다.

**특수 용액 : 나이트로메테인(NM), 메톡시에테인(DME)과 리튬나이트레이트(LiNO₃) 혼합 용액

 이를 통해 계면 안전성을 확보했으며, 실험 결과 상온에서도 300회 이상 충∙방전이 가능했다. 기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘린 셈이다.

또한 SK온은 연세대학교 박종혁 교수팀과 함께 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE, Gel Polymer Electrolyte) 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. 이 연구는 지난 2월 화학 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 게재됐다.

연구에 따르면 젤 고분자 전해질의 열 경화 시간이 길수록 배터리 성능 유지에 유리한 것으로 나타났다. 60분간 열 경화된 전해질을 사용한 배터리는 방전 용량이 9.1% 감소했지만, 20분만 열 경화한 경우에는 약 34%가량 줄어드는 결과를 보였다.

경화 시간이 짧으면 양극 보호층이 쉽게 분해돼 용량이 줄어들게 된다. 이는 배터리 수명이 저하된다는 의미다.

해당 연구에서 SK온은 양자역학 밀도 범함수 이론(DFT, Density Functional Theory)*** 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층의 부반응으로 인해 양극 성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다.

***밀도 범함수 이론 : 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론 중 하나

이번 연구 성과를 토대로 고분자 산화물 복합계 배터리 수명 향상에 기여할 것으로 예상된다.

박기수 R&D본부장은 “이번 성과는 SK온의 지속적인 연구개발 노력과 기술적 저력이 학계와의 협력을 통해 맺은 결실“이라며, “차세대 배터리로 주목받는 고체 전지의 기술적 난제를 돌파하는 데 핵심 토대가 될 것”이라고 말했다.

한편, SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2028년, 2030년에는 상용화할 계획이다.​