SK온이 단결정 양극재 합성의 기술적 난제를 해결하며 배터리 수명과 안정성, 에너지 밀도 개선 가능성을 동시에 끌어올렸다.

SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재됐으며 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 방식을 적용한 점에서 주목받고 있다.

현재 상용화된 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자 균열이 발생하기 쉽고 내부 가스 생성 가능성도 존재한다. 이에 따라 배터리 수명과 안정성 측면에서 한계가 지적돼 왔다. 반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열 발생이 적고 구조적 안정성과 수명이 뛰어난 것이 특징이다.

다만 단결정 양극재는 입자를 크고 균일하게 성장시키는 동시에 구조적 안정성을 확보해야 해 합성 난도가 높다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정 형성을 위해 고온·장시간 열처리가 필요하고 이 과정에서 양이온 무질서 현상이 발생해 배터리 성능과 수명이 저하되는 문제가 뒤따랐다.

SK온과 서울대 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 합성 방식을 적용했다. 구조적 안정성이 높고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤, 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 단결정 구조를 유지하면서도 고성능 양극 소재를 구현할 수 있었다.

또한 연구진은 에너지 밀도 향상에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다. 그 결과, 기존 양극재 대비 약 두 배에 해당하는 10μm급 입자로 구성되고, 니켈 함량이 94%를 넘는 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.

해당 단결정 양극재는 기계적·화학적 안정성과 에너지 밀도 측면에서 모두 우수한 성능을 나타냈다. 테스트 결과 양이온 무질서가 제거되면서 구조 변형이 감소했고, 가스 발생량은 다결정 양극재 대비 25배 줄어든 것으로 확인됐다. 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준에 도달했다.

SK온과 서울대 연구진은 이번 연구 결과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 보다 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 검토하는 한편, 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 높이는 방안도 연구 중이다.

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.