[디지털투데이 석대건 기자] SK온은 한양대학교 김동원 교수팀과 협력해 리튬 메탈 음극에 보호막 기술을 적용한 황화물계 전고체 전지의 수명 향상 연구에 성공했다고 6일 밝혔다. 

이번 연구는 에너지·화학 분야 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스' 4월호에 게재됐으며, 국내외 특허 출원도 완료했다.

이번에 게재된 논문은 2건으로, 'ACS 에너지 레터스'에 게재된 첫 번째 논문 "Surface-Modified Lithium Enabling High-performance All-Solid-State Lithium Metal Batteries"는 황화물계 전고체 배터리 음극에 보호막 기술을 적용해 기존 리튬이온 배터리 대비 수명을 3배 향상시킨 성과를 담았다. 

'앙게반테 케미'에 실린 두 번째 논문 "Residual Monomer-Induced Side Reactions in Gel Polymer Electrolytes: Unveiled High-Ni Cathode Failure in Lithium Batteries"는 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질 경화 시간과 배터리 수명 간의 상관관계를 규명한 연구다.

전고체 전지의 차세대 음극 소재인 리튬 메탈은 리튬 메탈은 공기 중에서 쉽게 반응해 표면에 무기물이 불균일하게 형성됐다. 불균일 무기물층은 리튬 이온의 이동을 방해하고 충·방전 효율을 저하시키며, 덴드라이트 발생으로 배터리 수명이 짧아지는 원인이 된다. 이때문에 기존 흑연 대비 약 10배의 용량과 낮은 전기화학적 전위를 갖고 있음에도 활용도가 낮았다. 

이러한 문제 해결을 위해 SK온은 리튬 메탈 음극을 나이트로메테인, 메톡시에테인과 리튬나이트레이트 혼합 용액에 담가 무기물을 제거하고, 전도성이 높은 리튬나이트라이드와 기계적 강도가 뛰어난 리튬옥사이드 기반 보호막을 형성시켰다. 

이를 통해 계면 안정성을 확보했으며, 실험 결과 상온에서도 300회 이상 충방전이 가능해졌다. 이는 기존 음극 메탈 배터리 수명의 3배에 해당하는 성과다라고 회사 측은 설명했다.

SK온은 또한 연세대학교 박종혁 교수팀과 함께 고분자 산화물 복합계 배터리의 젤 고분자 전해질 경화 시간과 배터리 수명 간의 관계를 규명했다. 해당 연구는 2월 화학 분야 권위 있는 국제 학술지 '앙게반테 케미'에 게재됐다. 

연구 결과에 따르면 젤 고분자 전해질의 열 경화 시간이 길수록 배터리 성능 유지에 유리한 것으로 나타났다. 60분간 열 경화된 전해질을 사용한 배터리는 방전 용량이 9.1% 감소한 반면, 20분만 열 경화한 경우에는 약 34%가량 감소했다.

양자역학 밀도 범함수 이론 계산을 통해 초기 충전 단계에서 양극 표면 보호층의 부반응으로 인해 양극 성능이 저하되는 원인과 과정을 밝혀냈다. 경화 시간이 짧으면 양극 보호층이 쉽게 분해돼 용량이 줄어들게 되며, 이는 결국 배터리 수명 저하로 이어진다.

박기수 R&D본부장은 "이번 성과는 SK온의 지속적인 연구개발 노력과 기술적 저력이 학계와의 협력을 통해 맺은 결실"이라며 "차세대 배터리로 주목받는 고체 전지의 기술적 난제를 돌파하는 데 핵심 토대가 될 것"이라고 말했다.

한편, SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이며, 각각 2028년과 2030년에 상용화할 계획이다.