고체전해질 안정성도 우수...국내외 특허출원
배터리 출력속도를 70% 개선할 수 있는 새로운 고체전해질이 국내에서 개발됐다. 이는 현존하는 리튬이온 배터리 가운데 세계 최고 수준의 전도도를 보이고 있다. 리튬이온전도도는 전해질 내 리튬이온의 이동속도를 의미하며, 속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다.
SK온은 단국대학교 신소재공학과 박희정 교수연구팀과 공동개발한 산화물계 고체전해질 관련 연구결과가 세계 저명학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials (IF 19.9)' 표지논문으로 게재됐다고 31일 밝혔다. SK온과 단국대 연구팀은 해당 기술에 대해 국내외 특허출원도 완료했다.
이 고체전해질은 리튬이온전도도를 크게 높이고, 대기 안정성까지 확보했다. SK온-단국대 연구팀은 산화물계 고체전해질 소재인 Li-La-Zr-O(리튬-란타넘-지르코늄-산소žLLZO)의 첨가물질 조정을 통해 리튬이온전도도를 기존보다 70% 개선(1.7 mS/cmž 센티미터당 밀리지멘스)해 세계 최고 수준으로 높였다.
또 리튬이온전도도가 높아지면 안정성이 떨어지는데 SK온-단국대 연구팀은 이를 LLZO의 미세구조를 균일하게 제어하는 기술로 극복했다. 고체전해질은 통상 수분(H2O)과 이산화탄소(CO2)에 취약해 장시간 대기에 노출되면 전해질로서의 기능이 떨어지지만 이 고체전해질은 매우 우수한 안정성을 보였다.
산화물계 고체전해질은 황화물계에 비해 이온전도도가 낮지만, 화학적 안정성이 우수해 양극 물질과의 반응성이 적고 리튬 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어 흑연 음극을 고용량인 리튬 메탈로 대체할 수 있다. 덴드라이트는 충·방전시 리튬 이온이 양극과 음극을 오갈 때 음극 표면에 쌓이는 가지 모양의 결정체를 말한다. 이 결정체가 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락이 발생, 화재로 이어질 수 있다.
배터리 용량도 크게 늘릴 수 있다. 특히 액체전해질을 사용한 리튬이온배터리(LiB)의 최대 사용 전압은 최대 4.3V이지만, 산화물계 고체전해질을 사용할 경우 최대 5.5V까지 늘어난다. 이를 배터리 제작에 적용할 경우, 이론적으로는 배터리 용량을 최대 25% 늘리는 것도 가능하다.
이 고체전해질은 현재 NCM 양극재를 기반으로 하는 전고체배터리 외에도 차세대배터리로 꼽히는 리튬-황 배터리와 리튬-공기 배터리를 전고체화할 수 있는 소재로도 활용할 수 있다. 현재 개발 중인 리튬-황, 리튬-공기 배터리는 LiB와 같이 액체전해질을 사용하는데 이 고체전해질을 적용해 전고체배터리로 만들 수 있을 것으로 기대된다.
또 SK온이 개발 중인 고분자-산화물 복합 전고체배터리에도 적용 가능하다. 산화물계 고체전해질은 고분자계보다 기계적 성질이 우수해 덴드라이트 현상을 억제하는 등 기존 고분자 전고체배터리의 한계를 극복할 수 있기 때문이다. 이를 차세대배터리에 적용한다면 화재 안전성과 장거리 주행 가능성을 모두 충족시킬 수 있게 된다.
한편 SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체배터리를 개발하고 있다. 두 종류 모두 2026년 초기 단계의 시제품을 생산하고, 2028년 상용화하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 대전 배터리연구원에 건설 중인 차세대배터리 파일럿 플랜트는 내년 완공 예정이다.
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