리튬 메탈 음극 표면 보호막 형성 기술 등
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| SK온이 연세대 박종혁 교수팀과 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질 경화 시간과 배터리 수명 간 관계를 규명한 연구가 게재된 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 논문. /SK온 |
[더팩트ㅣ최의종 기자] SK온이 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리 연구 성과를 유명 국제 학술지에 연이어 발표하며 차세대 배터리 기술 선점에 나섰다.
SK온은 최근 한양대학교 김동원 교수팀과 황화물계 전고체 전지의 수명을 높이는 연구에 성공했다고 6일 밝혔다. 리튬 메탈 음극 표면에 보호막을 형성해 배터리의 안전성과 수명을 끌어올리는 방식이다.
해당 연구는 에너지·화학 분야 국제적 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 4월호에 실렸다. 국내외 특허 출원도 마쳤다. 리튬 메탈은 기존 흑연 대비 약 10배에 달하는 용량과 낮은 전기화학적 전위를 바탕으로 에너지 밀도 향상과 고출력 구현 핵심으로 꼽힌다.
리튬 메탈은 공기 중에서 반응하기 쉬워 표면에 무기물이 불균일하게 형성된다. 무기물층은 리튬 이온 이동을 방해해 충·방전 효율을 낮추고, 덴드라이트(충전 과정에서 리튬 금속이 음극에서 불규칙한 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라는 현상)가 발생해 수명이 짧아진 원인이 된다.
리튬 메탈 음극을 적용해 전고체 배터리를 개발하면 상온에서 충·방전 횟수가 100회로 제한되기도 한다. SK온은 짧은 수명 문제를 해결하고자 리튬 메탈 음극을 특수 용액에 담가 무기물을 제거했다.
그러면서 전도성이 높은 리튬나이트라이드와 기계적 강도가 높은 리튬옥사이드 기반 보호막을 형성했다. 이에 계면 안전성을 확보했으며 실험 결과 상온에서도 300회 이상 충방전이 가능했다는 것이 SK온 설명이다. 기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘린 셈이다.
아울러 SK온은 연세대학교 박종혁 교수팀과 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질(GPE·Gel Polymer Electrolyte) 경화 시간과 배터리 수명 간 관계를 규명했다. 해당 연구는 지난 2월 화학 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 게재됐다.
연구에 따르면 젤 고분자 전해질 열 경화 시간이 길수록 배터리 성능 유지에 유리한 것으로 나타났다. 60분간 열 경화된 전해질을 사용한 배터리는 방전 용량이 9.1% 감소했지만, 20분만 열 경화하면 약 34%가량 줄어드는 결과를 보였다.
경화 시간이 짧으면 양극 보호층이 쉽게 분해돼 용량이 줄어들게 된다. 이는 배터리 수명이 저하된다는 의미다. SK온은 양자역학 밀도 범함수 이론(DFT) 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층의 부반응으로 인해 양극 성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다.
밀도 범함수 이론은 물질과 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론 중 하나다. SK온은 연구 성과를 바탕으로 고분자 산화물 복합계 배터리 수명 향상에 이바지할 것으로 예상했다.
SK온은 오는 2028년과 2030년 각 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 전고체 배터리를 상용화할 계획이다. 박기수 R&D본부장은 "지속적인 연구개발 노력과 기술적 저력이 학계 협력으로 맺은 결실"이라고 말했다.
bell@tf.co.kr
