SK온, 리튬메탈 배터리용 고분자 전해질 개발.. 이온전도도 10배 늘려 상온 구동-아이씨엔매거진

상온에서 구동 가능한 신규 고분자 전해질 ‘SIPE(single-ion conducting polymer electrolyte)’ 개발

SK온이 상온에서도 구동할 수 있는 리튬메탈 배터리용 고분자 전해질 공동개발에 성공했다. 고(故) 굿 이너프 텍사스대학교 교수 연구팀과 함께 이룬 성과다. 고체 배터리 성능 개선에 기여하고, 나아가 전고체 배터리 개발에도 속도를 높일 것으로 기대된다.

SK온은 굿 이너프 교수의 제자인 하디 카니(Hadi Khani) 교수 연구팀과 신규 고분자 전해질인 ‘SIPE(single-ion conducting polymer electrolyte)’를 개발했다고 밝혔다.

굿 이너프 교수는 리튬이온 배터리 용량을 2배로 늘린 배터리 선구자다. 2019년 97세에 노벨화학상을 받아 최고령 노벨상 수상 기록도 세웠다. 2020년부터 SK온과 리튬메탈 배터리를 구현하기 위한 ‘고체 전해질’ 공동 개발을 진행해왔다. 지난해 6월 별세 후 제자인 카니 교수가 연구팀을 이끌고 있다.

해당 연구는 전기화학 분야의 권위 있는 학술지 ‘일렉트로케미컬 소사이어티(J. Electrochemical Society)’에 게재됐다.

고분자 전해질은 가격이 저렴하고 제조가 용이해 차세대 고체 배터리 소재로 각광받는다. 하지만 산화물계, 황화물계에 비해 이온전도도가 낮아 70~80°C의 고온에서만 구동하는 점이 극복해야 할 과제 중 하나로 여겨진다.

SIPE는 이온전도도와 리튬 이온 운반율을 개선해 이를 해결했다. 기존 고분자 전해질 대비 상온 이온전도도를 약 10배(1.1×10-4S/cm)까지 끌어올렸으며, 리튬 이온 운반율 역시 0.2에서 0.92로 5배 가까이 늘렸다. 상온 구동이 가능한 배경이다.

이온전도도(Ionic conductivity): 물질의 이온전도 경향을 나타내는 척도. 수치가 클수록 전해질에서 이온이 움직이기 용이
운반율(Transference number): 전하 입자가 전기를 나르는 분담의 비율. 리튬 이온 운반율 수치가 높을수록 리튬 양이온 이동량이 증가

리튬이온 전도도와 리튬 이온 운반율이 높아지면 배터리 출력 및 충전 성능 또한 향상된다.

실제 실험 결과, SIPE를 적용한 배터리는 저속 충방전(0.1C) 대비 고속 충방전(2C) 시 배터리 방전 용량이 77%로 유지됐다. 고체 전해질은 이온 전도도가 낮아 고속 충전 시 방전 용량 저하가 두드러지는데, 이를 최소화한 셈이다.

C-rate(충방전율): 충전과 방전 속도를 나타내는 단위. 충전 시 1C는 전지용량 100%까지 1시간에 충전하는 속도를 의미

고체 전해질 계면(Solid Electrolyte Interphase) 안정성을 높여 덴드라이트 형성을 억제한 점도 주목할 만하다. 리튬메탈 배터리는 음극으로 흑연이 아닌 금속 리튬을 사용해 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있다. 다만, 상용화를 위해서는 고질적 덴드라이트 현상 해결이 필수적이다.

덴드라이트(Dendrite): 충방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극을 오갈 때 음극 표면에 쌓이는 가지 모양의 결정체. 배터리의 수명과 안전성을 저하시키는 원인 중 하나

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

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.

한편, SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다. 각각 2025년, 2026년 파일럿(Pilot) 시제품을 생산하고 2028년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 목표다. 대전 배터리연구원에 건설 중인 황화물계 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 내년 하반기 완공 예정이다.