SK온, '꿈의 배터리' 전고체 신기술 선점 속도…"수명 3배↑"

국제 학술지 등재·국내외 특허 출원 완료
리튬 메탈 음극 안정화로 300회 충방전…기존 대비 3배 연장
황화물계·고분자계 전고체 배터리 2028~2030년 상용화 목표

SK온과 한양대학교의 ‘황화물계 리튬 메탈 음극 보호막 적용 연구 결과’가 담긴 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’의 논문. ⓒSK온

SK온은 한양대학교 김동원 교수팀과 함께 황화물계 전고체 전지의 수명을 높인 연구 성과가 에너지·화학 분야 국제적 학술지인 'ACS 에너지 레터스' 4월호에 실렸다고 6일 밝혔다.

SK온은 이 기술을 국내외 특허 출원도 했다.

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.

그러나 리튬 메탈은 공기 중에서 반응해 표면에 불균일한 무기물층이 형성되며 이는 리튬 이온 이동을 방해해 충방전 효율과 배터리 수명을 저하시킨다. 리튬 메탈 음극을 적용하면 상온에서 충·방전 횟수가 100회로 제한된다.

SK온은 이 문제를 해결하기 위해 리튬 메탈 음극을 특수 용액에 담가 무기물을 제거하고 전도성이 높은 리튬나이트라이드(Li3N)와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드(Li2O) 기반 보호막을 형성했다.

SK온과 연세대학교의 ‘젤 고분자 전해질 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명한 연구 결과’가 담긴 국제 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’의 논문. ⓒSK온

이를 통해 계면 안전성을 확보하게 되며 상온에서도 300회 이상 충·방전이 가능해졌다. 기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘린 셈이다.

SK온은 또 연세대학교 박종혁 교수팀과 함께 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE) 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. 이 연구는 지난 2월 화학 분야 국제 학술지인 '앙게반테 케미'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.

SK온은 이번 연구 성과가 고분자 산화물 복합계 배터리의 수명을 늘리는 데 기여할 것으로 보고 있다.

박기수 SK온 R&D본부장은 "이번 성과는 당사의 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 복합계, 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 각각 2028년, 2030년 상용화를 목표로 개발 중이다.