[FETV=한가람 기자] SK온은 국내 주요 대학 기관과 공동으로 진행한 전고체 배터리 연구개발 프로젝트의 성과가 논문으로 작성돼 최근 국제 학술지에 연속적으로 실렸다고 13일 밝혔다. SK온의 이번 일부 연구 결과는 국내외 특허 출원 절차도 마친 상태다.

SK온이 한국세라믹기술원 김진호 박사 연구팀과 같이 진행한 연구는 초고속 광소결 기술을 적용한 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리 제조 공정 개선이 주된 요소다. 광소결(Photonic sintering)은 강한 빛 에너지를 순간적으로 가해 분말 입자의 결합을 촉진시켜 강도, 내구성 등이 향상된 고체 덩어리를 만드는 공정이다. 인쇄 회로 기판 공정에 주로 활용되는 광소결 기술을 배터리 제조에 적용시킨 혁신적인 연구로 평가된다.

해당 연구를 정리한 논문은 에너지·화학 분야의 저명한 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 표지 논문으로 실렸다. 논문 저자 9명 중 6명이 SK온 인원이다.

전고체 배터리는 현재 리튬이온 배터리에 적용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리다. 고체 전해질 종류는 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 분류된다.

산화물계 전해질 소재는 리튬이온 이동 경로 및 기계적 강도 증가를 위해 일반적으로 1000도 이상의 고온에 10시간 이상의 열처리 공정을 필요로 한다. 그러나 제조 원가 부담에 더해서 소재의 취성 파괴와 같은 취약점이 제기되며 대면적화가 과제로 떠올랐다. 취성 파괴(Brittle fracture)는 재료가 파괴될 때 변형 없이 갑자기 부서지는 현상을 말한다.

SK온은 빠른 속도와 저온 열처리가 특징인 광소결 기술을 해결책으로 제시했다. 우선 연구진은 조사된 빛 에너지의 손실을 최소화하는 유색 무기 안료를 발견해 산화물 전해질 소재에 적용했다. 더불어 선택적으로 수 초 안에 열처리를 진행하는 초고속 광소결 기술을 활용해 최적의 균일성을 갖는 다공성 구조체를 만드는 것을 성공했다.

더 나아가 연구진은 초고속 광소결 기술로 제조된 산화물 내부에 고분자 전해질을 포함하는 고분자-산화물 복합전해질을 구현하는 데 성공했다. 실험 결과 이 전해질을 적용한 배터리는 우수한 수명 특성을 나타냈다.

SK온은 망간리치(Li- and Mn-rich layered oxides, LMRO) 양극재의 황화물계 전고체 배터리 적용 가능성을 분석한 연구 결과도 발표했다.

서울대학교 이규태 교수 연구팀과 진행한 이 연구는 지난달 에너지 소재 분야의 저명한 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'의 표지 논문으로 발표되었다. 성능 위주로 다룬 기존 연구와 달리 LMRO 활물질의 열화 메커니즘을 상세히 규명해 차별화되었다는 평가다. 

LMRO 양극재는 니켈, 코발트보다 저렴한 망간이 기반이 되어 원가적으로 유리하다. 단 기존 리튬이온배터리에 적용할 경우 액체 전해질 부반응으로 인한 가스 발생, 전압 강하, 용량 감소 등의 문제점이 있어 업계는 전고체 배터리 적용 가능성을 연구해왔다.

SK온은 고온·고전압 조건 아래 충·방전 중 LMRO 활물질에서 발생한 산소가 황화물계 고체전해질을 산화시켜 열화가 발생하는 현상을 다양한 분석을 통해 밝혀냈다. 이를 해결하기 위해 산소 발생을 줄이는 특수 코팅재를 적용해 배터리 수명을 개선하는 방법도 찾았다.

박기수 SK온 R&D 본부장은 "이번 성과는 SK온의 적극적 연구개발과 뛰어난 기술 역량이 학계·기관의 전문가들과 시너지를 만들어 이뤄낸 것”이라며 “SK온은 차세대 배터리 분야를 선도하기 위해 연구개발에 더욱 매진하겠다”고 말했다.

아울러 SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2027년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 계획이다. 대전 배터리연구원에 건설 중인 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 올 하반기 완공 예정이다.