SK온, 고밀도 단결정 양극재 개발 성공

[디지털투데이 석대건 기자] SK온이 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극을 개발했다고 8일 밝혔다. 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다는 평가를 받는다. 이번 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재됐다.

현재 업계에서 사용되는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조다. 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스가 발생할 가능성이 있다.

반면, 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이루어져 있어, 균열이 쉽게 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다. 다만 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시키면서 구조적 안정성까지 확보하기 어렵다는 한계가 있었다.

니켈 함량이 높은 양극 소재는 단결정 생성을 위해 고온·장시간 열처리가 필요하다. 이 경우 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능과 수명이 저하되는 문제가 발생했다.

이에 SK온과 서울대 연구진은 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식으로, 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학적 조성과 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다.

그 결과 일반 양극재 입자 크기의 약 2배인 10μm 크기의 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈 단결정 양극재를 개발했다. 울트라 하이니켈은 양극재 내 니켈 함량이 94%를 넘는 것으로 에너지 밀도가 높아 전기차 1회 충전 시 주행거리를 늘릴 수 있다.

SK온에 따르면, 해당 단결정 양극재는 뛰어난 기계·화학적 안정성과 높은 에너지 밀도를 나타냈다. 테스트 결과 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 감소했으며 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배 감소했다. 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달했다. 이론적 결정 밀도는 결함과 불순물이 전혀 없는 완벽한 결정 상태를 가정했을 때의 최대 밀도다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 지닌 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례"라며 "앞으로도 학계와 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다"고 말했다.