SK온, 서울대와 '고밀도 단결정 양극재' 개발 성공

[아이뉴스24 황세웅 기자] SK온이 강기석 서울대학교 교수 연구팀과 공동으로 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극재 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

연구 결과는 권위 있는 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재됐다.

이번 연구는 단결정 양극 소재 합성 과정에서의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다는 점에서 주목받고 있다. 배터리 수명과 안정성, 에너지 밀도를 동시에 향상시킬 수 있는 가능성을 입증했다는 평가다.

현재 업계에서 널리 사용되는 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 균열이 발생해 내부 가스 생성 가능성이 있다.

단결정 양극재는 이와 달리 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이루어져 균열 발생이 적고 안정성과 수명이 뛰어나다. 다만 입자를 크고 균일하게 성장시키는 동시에 구조적 안정성을 확보하기 어려워 상용화의 난제로 꼽혀왔다.

특히 니켈 함량이 높은 양극 소재의 경우 고온·장시간 열처리가 필요해 양이온 무질서 현상이 발생하고, 이로 인해 배터리 성능과 수명이 저하되는 문제가 있었다.

SK온과 서울대 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 합성 방법을 고안했다.

구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤, 이온 교환 방식으로 리튬으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 단결정 구조를 유지하면서도 양극 소재를 확보했다.

연구진은 또 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다.

그 결과 일반 양극재 대비 약 2배 크기인 10마이크로미터(μm) 입자로 구성되고, 니켈 함량이 94%를 넘는 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.

시험 결과 해당 양극재는 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 크게 줄었으며, 가스 발생량은 기존 다결정 양극재 대비 25배 감소한 것으로 나타났다. 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준까지 구현됐다.

SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 바탕으로 후속 연구도 이어갈 계획이다. 보다 고도화된 소재 조성과 합성 기술을 개발하고, 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적의 비율로 조합해 에너지 밀도를 더욱 높이는 방안도 검토 중이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구는 배터리 소재 분야에서 SK온의 기술 경쟁력을 보여주는 사례"라며 "앞으로도 학계와의 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다"고 밝혔다.