SK온이 서울대 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극재 개발에 성공했다.

SK온은 글로벌 에너지 분야 학술지 ‘네이처 에너지’를 통해 해당 연구 성과를 공개했다고 8일 밝혔다.

이번 연구는 단결정 양극 소재 합성 과정에서의 기술적 난제를 규명하고, 새로운 합성 경로를 제시한 것이 특징으로, 배터리 수명과 안정성, 에너지 밀도를 향상하는 것이 목표다.

현재 상용화된 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자 균열이 발생할 수 있으며 이로 인해 내부 가스가 생성될 가능성이 있다.

반면 단결정 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 있어 균열이 쉽게 발생하지 않아 안정성과 수명이 우수한 것으로 알려져 있다.

다만 입자 크기를 키우는 과정에서 균일성과 구조적 안정성을 동시에 확보하기 어렵다는 점이 기술적 한계로 지적돼 왔다.

특히 니켈 함량이 높은 양극 소재는 단결정 형성을 위해 고온·장시간 열처리가 필요한데, 이 과정에서 양이온 무질서 현상이 발생해 성능과 수명이 저하될 수 있다는 문제도 제기됐다.

이에 SK온과 서울대 연구진은 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤, 이온 교환 방식으로 리튬으로 대체하는 새로운 합성 경로를 고안했다.

연구진은 대형 입자 단결정이 에너지 밀도 향상에 유리하다는 점에 착안해 화학 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 함께 분석했다.

이를 통해 일반 양극재 입자 크기의 약 두 배에 해당하는 10마이크로미터(μm) 크기의 입자로 구성된 ‘울트라 하이니켈’ 단결정 양극재 개발에 성공했다.

해당 양극재는 양이온 무질서 현상이 관찰되지 않았으며, 시험 결과 구조 변형이 감소하고 가스 발생량이 다결정 양극재 대비 약 25배 줄어든 것으로 나타났다.

에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준으로 평가됐다.

SK온 관계자는 “이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 것”이라고 말했다.

단결정 양극재 개발 논문 [SK온 제공]

한편 하이니켈 양극재는 전기차 주행거리와 에너지 밀도를 끌어올릴 수 있는 핵심 기술로 꼽히지만, 구조 안정성과 안전성 측면에서는 동시에 높은 기술적 부담을 안고 있는 소재로 평가된다.

니켈 비중을 높일수록 이론적·실사용 용량이 증가해 높은 방전 용량을 구현할 수 있고, 높은 전압 특성과 전자전도성으로 셀 에너지 밀도 향상에도 유리하다.

그러나 니켈 함량이 높아질수록 양극 구조의 수명이 저하되거나 가스가 발생하는 등의 열폭주 위험성이 커진다는 것이 문제점으로 지목되어 왔다.

특히 고에너지 설계를 유지한 상태에서 전기차 요구 수준인 1,000회 이상 충·방전 사이클을 안정적으로 확보하는 것이 상용화의 핵심 과제로 꼽힌다.

이에 이번 단결정 양극재 연구는 충·방전 과정에서 구조 붕괴와 가스 발생을 억제할 수 있을 것으로 기대받고 있다.

다만 하이니켈 단결정 양극재가 실제 상용화 단계로 이어지기 위해서는 소재 성능뿐 아니라 전극 제조와 시스템 설계까지 포함한 종합 최적화가 요구된다.

고압축·고탭밀도 전극 환경에서 크랙과 전해액 침투를 최소화하는 캘린더링 조건 설정, 니켈 가격 변동성과 공정 난이도를 고려한 비용 구조 관리, LFP나 중니켈 계열과의 시스템 단위 총소유비용(TCO) 경쟁력 확보가 병행돼야 한다는 지적도 나온다.

그럼에도 불구하고 이번 연구는 하이니켈 양극재가 안고 있던 ‘에너지 밀도와 안정성의 트레이드오프’를 구조 설계 차원에서 완화할 수 있음을 보여준 사례가 될 전망이다.