다가온 ‘꿈의 배터리’ 시대… SK온 “新고체전해질 개발 성공”

SK온은 세계 최고 수준의 리튬이온전도도를 갖는 산화물계 신(新) 고체전해질 공동개발에 성공했다고 31일 밝혔다. 리튬이온전도도는 전해질 내 리튬 이온의 이동 속도로, 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다.

SK온이 지난 3월 인터배터리 전시회에서 공개한 고분자복합계 전고체배터리 개발품. /SK온 제공

SK온은 이날 단국대학교 신소재공학과 박희정 교수 연구팀과 공동 개발한 산화물계 고체전해질 관련 연구 결과가 세계적으로 저명한 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 표지논문에 게재됐다고 밝혔다. SK온과 단국대 공동 연구팀은 해당 기술에 대해 국내외 특허 출원도 완료했다.

SK온과 단국대 연구팀은 산화물계 고체전해질 소재인 Li-La-Zr-O(리튬·란타넘·지르코늄·산소)의 첨가 물질 조정을 통해 리튬이온전도도를 기존보다 70% 개선, 최고 수준으로 높였다고 설명했다.

고체전해질은 통상 수분과 이산화탄소에 취약해 장시간 대기에 노출되면 기능이 떨어지는 단점이 있었다. 그러나 SK온과 단국대 연구팀은 LLZO의 미세구조를 균일하게 제어하는 기술로 극복했고, 대기에 노출돼도 매우 우수한 안정성을 보였다고 SK온은 설명했다.

산화물계 고체전해질은 황화물계에 비해 이온전도도가 낮다. 그러나 화학적 안정성이 우수해 양극 물질과의 반응성이 적고, 화재의 원인이 되는 리튬 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어 흑연 음극을 고용량인 리튬 메탈로 대체할 수 있다.

배터리 용량도 크게 늘릴 수 있다. 액체전해질을 사용한 리튬이온배터리(LiB)의 최대 사용 전압은 최대 4.3V(볼트)이지만, 산화물계 고체전해질을 사용할 경우 최대 5.5V까지 늘어난다. 이를 배터리 제작에 적용할 경우, 이론적으로는 배터리 용량을 최대 25% 늘리는 것도 가능하다.

SK온과 단국대가 공동 개발한 산화물계 신(新) 고체전해질 연구 결과를 담은 세계적 저명 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(AFM)의 표지. 미세구조를 제어한 산화물계 고체전해질 소재 LLZO를 손으로 표현했다. 왼쪽 손의 작은 피부 구조(domain)는 고체전해질의 작은 입자를, 젊은 피부는 우수한 대기 안정성을 의미한다. 고체전해질이 전고체배터리의 핵심 소재라는 의미를 손에서 전기를 생산하는 모양으로 형상화했다. 붉은 로봇 나비는 SK로고에 미래 이미지를 담았다. /SK온 제공

이 고체전해질은 현재 NCM 양극재를 기반으로 하는 전고체배터리 외에도 차세대 배터리로 꼽히는 리튬-황 배터리와 리튬-공기 배터리를 전고체화할 수 있는 소재로도 활용할 수 있다. 또 SK온이 개발 중인 고분자-산화물 복합 전고체배터리에도 적용할 수 있다.

최경환 SK온 차세대배터리연구센터장은 “이온전도도와 대기 안정성을 모두 갖춘 이 고체전해질은 고품질의 전고체배터리를 만들기 위한 혁신 기술로 파급효과가 매우 클 것”이라며 “SK온은 압도적인 미래 기술 경쟁력을 바탕으로 향후 차세대 배터리 분야의 성장 기회를 선점해 나가겠다”고 말했다.

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