▲ SK온과 서울대학교가 대형 입자 기반 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공해 해당 연구가 ‘네이처 에너지’에 게재됐다.

SK온이 서울대학교와 초고니켈 단결정 양극재의 합성 난제를 해결하며 고에너지밀도·장수명·안정성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 전기차 배터리 기술의 상용화 가능성을 제시했다.

SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 공동으로 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

세계 최고 권위 학술지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 실린 이번 연구는 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시해 배터리 수명·안정성·에너지밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것으로 평가받는다.

현재 상용화된 다결정(Polycrystalline) 양극재는 다수의 미세 입자가 뭉친 구조로, 압연 공정이나 반복적인 충·방전 과정에서 입자 균열이 발생하기 쉽다. 이로 인해 내부 가스 생성과 구조 열화가 발생하며, 배터리 수명과 안정성 저하로 이어질 수 있다.

반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열 발생 가능성이 낮고, 구조적 안정성과 수명이 우수한 것이 특징이다. 다만 입자를 크고 균일하게 성장시키면서도 화학적 안정성을 동시에 확보하기 어렵다는 점이 그동안 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

특히 니켈 함량이 높은 양극재의 경우, 단결정을 만들기 위해 고온·장시간 열처리가 필요해 양이온 무질서(cation disorder) 현상이 발생하기 쉽다. 이는 리튬 이온 이동을 방해해 출력과 충·방전 성능, 수명을 저하시킨다.

SK온과 서울대 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 합성 경로를 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤, 이온 교환 방식을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 단결정 구조를 유지하면서도 양이온 무질서를 억제한 양극 소재 확보에 성공했다.

연구진은 에너지 밀도 향상에 유리한 대형 입자 단결정에 주목하고, 화학 조성·온도·시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 체계적으로 분석했다. 그 결과, 일반 양극재 대비 약 2배 크기인 10μm 입자로 구성되고 니켈 함량 94% 이상의 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.

테스트 결과, 해당 양극재는 양이온 무질서가 관찰되지 않았으며 구조 변형이 크게 줄어 가스 발생량이 다결정 양극재 대비 25배 감소했다. 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준에 도달해 고에너지 배터리 구현 가능성을 입증했다.

SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 기반으로 후속 연구를 이어갈 계획이다. 소재 조성과 합성 방법을 한층 고도화하고, 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 극대화하는 방안도 검토 중이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구는 단결정 양극재 분야에서 SK온의 기술 경쟁력을 보여주는 의미 있는 성과”라며 “앞으로도 학계와의 긴밀한 협력을 통해 차세대 배터리 소재 기술을 선도해 나가겠다”고 말했다.