덴드라이트 형성 따른 셀 단락 예방 기술도…국제학술지 논문 게재

(서울=연합뉴스) 장하나 기자 = SK온이 상온에서 구동할 수 있는 전고체 배터리용 음극 개발에 성공했다.

9일 업계에 따르면 SK온은 한양대 김동원 교수 연구팀과 황화물계 전고체 배터리용 리튬 메탈 음극을 공동 연구한 결과 상온에서 구동 가능한 신규 음극을 개발하는 데 성공했다.

이 같은 내용을 담은 논문은 최근 재료·계면 분야의 권위 있는 국제 학술지인 'ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시스'(ACS Applied Materials & Interfaces)에 게재됐다.

황화물계 리튬 메탈 배터리는 보통 균일한 리튬 이동을 위해 상온보다 높은 온도에서 구동된다.

다만 배터리를 고온에서 구동할 경우 온도 유지용 모듈 탑재가 필요해 비용이 커지고 에너지 밀도가 낮아진다. 또 구동 온도가 65도 이상 올라가면 소재의 열화(절연체가 내외부 영향에 따라 화학·물리적 성질이 나빠지는 현상) 가능성에 따라 배터리 수명이 단축될 수 있다.

연구진은 이런 단점을 극복하고 음극 집전체에 리튬 친화성 소재인 은이 추가된 음극을 구성, 상온 구동을 실현했다.

이를 통해 고온 구동 시 고온 유지에 필요한 비용을 낮추고 배터리 수명을 늘렸다.

연구팀은 덴드라이트(배터리 음극 표면에 생기는 나뭇가지 모양의 결정체) 형성에 따른 셀 단락 현상을 막을 수 있는 기술 개발에도 성공했다.

황화물계 리튬 메탈 전고체 배터리는 이온전도도와 에너지밀도가 높다는 장점이 있다. 이온전도도가 높을수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다.

일반적으로 고체 전해질은 액체 전해질 대비 이온전도도가 낮지만, 황화물계 전해질의 이온전도도는 액체 전해질과 비슷한 수준이다.

흑연 음극재를 사용한 액체 전해질의 에너지밀도는 600∼700Wh/L 수준이지만, 리튬 금속 음극재가 사용된 황화물계 전고체 배터리 에너지밀도는 800∼1천Wh/L로 높다.

다만 황화물계 전해질과 리튬 메탈 간 부(副)반응으로 저항이 증가하고 리튬이 균일하지 않게 이동하는 문제점이 있다. 리튬 이동이 균일하지 않을 경우 전류가 한 곳으로 집중돼 덴드라이트가 형성되고, 이렇게 성장한 덴드라이트가 전해질을 뚫고 올라가 셀 단락을 유발할 수 있다.

이에 연구팀은 리튬-은 합금 과정에서 SEI(Solid Electrolyte Interphase·배터리 최초 충전시 음극재 표면에 생기는 얇은 막)막이 동시에 형성되는 공법을 개발했다고 밝혔다. SEI막은 전기 음극 표면에 형성되는 얇은 층으로 전극 보호막 효과가 있다.

이를 통해 덴드라이트 성장을 억제할 뿐 아니라 비용과 시간을 단축하는 등 공정 효율화도 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다. 보통 음극 보호막 처리와 합금화 과정을 별도로 나눠서 처리하는데, 이 공법은 전기화학적으로 한 번에 처리할 수 있기 때문이다.

SK온은 비용 감축을 위해 은 함량을 줄이는 방안과 배터리 수명을 늘리기 위한 SEI막 강화 연구를 진행 중이다.

앞서 SK온은 지난 6월 상온 구동 가능한 리튬 메탈 배터리용 고분자 전해질을 개발했다고 밝힌 바 있다. 고분자 전해질은 가격이 저렴하고 제조가 용이해 차세대 고체 배터리 소재로 주목받고 있다.

SK온은 차세대 배터리 기술 경쟁력을 선점하기 위해 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다.

고체 전해질을 사용한 전고체 배터리는 액체 전해질 대비 높은 에너지 밀도와 안전성으로 주목받으며 '꿈의 배터리'로 불리고 있다.

높은 에너지밀도를 구현하려면 음극의 역할이 가장 중요한데 리튬 금속과 같은 고용량 음극 재료가 사용되면 더 많은 양의 리튬 이온을 저장할 수 있어 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다.

한편, 국내 배터리 3사 중 전고체 배터리의 양산 목표 시점은 삼성SDI가 2027년으로 가장 빠르다.

SK온은 내년 하반기 황화물계 고체 배터리 파일럿 라인을 준공하고 2029년 상용화 시제품을 출시한다는 계획을 밝힌 바 있다. LG에너지솔루션은 2030년까지 황화물계 전고체 배터리를 상용화할 계획이다.

업계 관계자는 "전기차 업계가 캐즘(Chasm·일시적 수요 정체)을 겪고 있지만 미래를 위한 연구개발은 속도 조절을 해서도 안 되고 할 수도 없는 영역"이라며 "미래 전기차 시장을 주도하기 위해서는 차세대 배터리 기술을 확보하는 것이 중요하다"고 말했다.

hanajjang@yna.co.kr