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| SK온이 지난해 3월 공개한 고분자복합계 전고체배터리 개발품. (사진=SK온) |
SK온이 한양대 연구팀과 협력해 상온에서 구동 가능한 황화물계 전고체 리튬 음극을 개발하는 데 성공했다.
9일 업계에 따르면, SK온은 김동원 한양대 교수 연구팀과 황화물계 전고체 배터리용 리튬 메탈 음극을 공동 연구한 결과 상온에서 구동 가능한 신규 음극을 개발하는 데 성공했다.
최근 재료·계면 분야 국제 학술지인 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 이 같은 내용을 담은 논문이 게재됐다.
황화물계 리튬 메탈 배터리는 보통 균일한 리튬 이동을 위해 상온보다 높은 온도에서 구동된다.
다만, 배터리를 고온에서 구동할 경우 온도 유지용 모듈을 탑재해야 해 비용이 커지고 밀도가 낮아지는 단점이 있다. 여기에 구동 온도가 65도 이상 올라가면 소재의 열화(절연체가 내외부 영향에 따라 화학·물리적 성질이 나빠지는 현상) 가능성에 따라 배터리 수명이 단축될 수 있다.
이러한 단점을 극복하고 연구팀은 음극 집전체에 리튬 친화성 소재인 은이 추가된 음극을 구성해 상온 구동을 실현했다. 이를 통해 고온 구동 시에 고온 유지에 필요한 비용을 낮추고 배터리 수명을 늘렸다.
연구팀은 덴드라이트(배터리 음극 표면에 생기는 나뭇가지 모양 결정체) 형성에 따른 셀 단락 현상을 막을 수 있는 기술 개발에도 성공했다.
황화물계 리튬 메탈 전고체 배터리는 이온전도도와 에너지밀도가 높다. 이온전도도가 높으면 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다. 일반적으로 고체 전해질은 액체 전해질과 비교해 이온전도도가 낮지만, 황화물계 전해질 이온전도도는 액체 전해질과 비슷한 수준이다.
흑연 음극재를 사용한 액체 전해질 에너지밀도는 600∼700Wh/L 수준이지만, 리튬 금속 음극재가 사용된 황화물계 전고체 배터리 에너지밀도는 800∼1000Wh/L로 높다.
문제는 황화물계 전해질과 리튬 메탈 간 부(副)반응으로 저항이 증가하고 리튬이 균일하지 않게 이동하지 않는다. 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 충전 시 음극재 표면에 생기는 얇은 막)막이 동시에 형성되는 공법을 개발했다고 밝혔다. SEI막은 전기 음극 표면에 형성되는 얇은 층으로 전극 보호막 효과가 있다.
연구팀은 이를 통해 덴드라이트 성장을 억제할 뿐 아니라 비용과 시간을 단축하는 등 공정 효율화도 가능하다고 설명했다. 보통 음극 보호막 처리와 합금화 과정을 별도로 나눠서 처리하는데, 이 공법은 전기화학적으로 한 번에 처리할 수 있다.
SK온은 비용 감축을 위해 은 함량을 줄이는 방안과 배터리 수명을 늘리기 위한 SEI막 강화 연구를 진행 중이다. 지난 6월 SK온은 상온 구동 가능한 리튬 메탈 배터리용 고분자 전해질을 개발했다고 밝힌 바 있다.
차세대 배터리 기술 경쟁력을 선점하기 위해 SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. SK온은 내년 하반기 황화물계 고체 배터리 파일럿 라인을 준공하고 2029년 상용화 시제품을 출시할 계획이다.
강은영 기자 eykang@viva100.com 기자의 다른기사보기 >
