SK온, 한양대와 황화물계 전고체전지 수명 3배 향상 기술 개발

사진 제공 sk온

SK온은 김동원 한양대 교수팀과 황화물계 전고체 전지 수명을 3배 향상하는 기술을 개발해 에너지∙화학 분야 국제적 학술지인 <ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)> 4월호에 게재하고 국내외 특허출원도 완료했다고 6일 밝혔다.

전지업계에 따르면 전고체 전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 리튬메탈은 기존 흑연 대비 약 10배에 달하는 용량과 낮은 전기화학적 전위로 에너지밀도 향상과 고출력 구현에 유리하다. 하지만 공기 중에서 반응해 표면에 무기물이 불균일하게 형성된다.

무기물층이 리튬 이온 이동을 방해해 충∙방전 효율을 떨어뜨리고, 덴드라이트를 형성해 배터리 수명을 단축시킨다. 리튬 메탈 음극을 적용해 전고체 배터리를 개발하면 상온 충∙방전 횟수가 100회에 불과한 것으로 알려져 있다.

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 형성시켰다. 계면 안전성을 확보, 상온에서도 300회 이상 충방전이 가능하다.

리튬메탈 음극 표면에 보호막을 형성해 배터리의 안전성과 수명을 늘린 것이다.

박종혁 연세대 교수팀과는 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE, Gel Polymer Electrolyte) 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. 이 연구는 지난 2월 화학 분야 국제 학술지인 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie)>에 실렸다.

연구결과에 의하면 젤 고분자 전해질의 열 경화시간이 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 준다. 배터리 수명이 저하된다는 의미다. 이번 연구에서 SK온은 양자역학 밀도 범함수 이론(DFT, Density Functional Theory) 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층 부반응으로 양극성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다. 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 개발하고 있다. 각각 2028년고 2030년 상용화 한다는 계획이다.

서울트리뷴 (c)

seoul_tribune@naver.com