SK온, 리튬메탈 배터리용 고분자 전해질 개발

이온전도도 10배 늘려 상온서 구동
고속충전 성능·화재 안전성 확보

SK온과 UT Austin 로고./SK온

SK온이 상온에서도 구동할 수 있는 리튬메탈 배터리용 고분자 전해질 공동개발에 성공했다.

SK온은 굿 이너프 교수의 제자인 하디 카니 교수 연구팀과 신규 고분자 전해질인 'SIPE(single-ion conducting polymer electrolyte)'를 개발했다고 16일 밝혔다.

이는 고(故) 굿 이너프 텍사스대학교 교수 연구팀과 함께 이룬 성과다. 고체 배터리 성능 개선에 기여하고, 나아가 전고체 배터리 개발에 속도를 높일 것으로 기대된다고 SK온은 설명했다.

굿 이너프 교수는 리튬이온 배터리 용량을 2배로 늘린 배터리 선구자로 알려졌다. 2019년 97세에 노벨화학상을 받아 최고령 노벨상 수상 기록을 세웠다. 지난 2020년부터 SK온과 리튬메탈 배터리를 구현하기 위해 '고체 전해질' 공동 개발을 진행해왔다. 지난해 6월 별세 후 제자인 카니 교수가 연구팀을 이끌고 있다.

해당 연구는 전기화학 분야의 권위 있는 학술지 '일렉트로케미컬 소사이어티'에 게재됐다. 업계에 따르면 고분자 전해질은 가격이 저렴하고 제조가 용이해 차세대 고체 배터리 소재로 각광받는다. 하지만 산화물계, 황화물계에 비해 이온전도도가 낮아 70~80℃의 고온에서만 구동하는 점이 극복해야 할 과제 중 하나로 여겨진다.

SK온은 'SIPE'이 이온전도도와 리튬 이온 운반율을 개선해 이를 해결했다고 밝혔다. 기존 고분자 전해질 대비 상온 이온전도도를 약 10배까지 끌어올렸으며, 리튬 이온 운반율 역시 0.2에서 0.92로 5배 가까이 늘렸다. 상온 구동이 가능한 배경이다.

아울러 고체 전해질 계면 안정성을 높여 덴드라이트 형성을 억제했다. 리튬메탈 배터리는 음극으로 흑연이 아닌 금속 리튬을 사용해 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있다. 다만 상용화를 위해서는 고질적 덴드라이트 현상 해결이 필수다.

이 밖에도 SIPE는 높은 기계적 내구성을 갖춰 대량 생산이 가능하며, 열적 안전성이 우수해 250℃ 이상 고온에도 견딜 수 있다. 차세대 복합계 고체 배터리에 적용할 경우 충전 속도와 저온 성능을 개선할 것으로 기대된다고 SK온은 설명했다.

아울러 고분자·산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2025년, 2026년 파일럿 시제품을 생산하고 2028년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산할 목표다. 대전 배터리연구원에 건설 중인 황화물계 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 내년 하반기에 완공될 예정이다.

김태경 SK온 차세대배터리센터장은 "이번 연구 성과를 바탕으로 고분자 전해질을 적용한 고체 배터리 개발에 한층 속도를 높일 수 있을 것으로 기대한다"며 "SK온은 신규 소재 기술 경쟁력을 바탕으로 향후 차세대배터리 분야의 성장 기회를 선점해 나갈 것"이라고 말했다.