SK온, '꿈의 배터리' 속도…용량 25% 늘리는 고체전해질 개발

리튬이온전도도 70% 개선…세계 최고 수준
배터리 용량 최대 25% 늘릴 수 있어
"리튬-황·리튬-공기 전고체화, 고분자-산화물 적용 가능"

SK온 제공

SK온이 세계 최고 수준의 리튬이온전도도를 갖는 새로운 산화물계 고체전해질을 공동 개발했다. 전해질 내 리튬 이온의 이동 속도인 리튬이온전도도의 속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 충전 속도도 빨라진다. 이를 통해 2028년 상용화를 목표로 개발 중인 전고체배터리의 경쟁력을 높이겠다는 구상이다.

SK온, 단국대 공동 연구팀과 새로운 산화물계 고체전해질 개발

SK온은 31일 박희정 단국대학교 신소재공학과 교수 연구팀과 공동 개발한 산화물계 고체전해질 관련 연구 결과가 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(IF 19.9)' 표지논문에 게재됐다고 발표했다. SK온과 단국대 공동 연구팀은 해당 기술 관련 국내외 특허 출원도 완료했다.

새롭게 개발한 고체전해질은 리튬이온전도도를 크게 높이고 대기 안정성까지 확보했다는 게 회사 측의 설명이다. SK온은 산화물계 고체전해질 소재인 LZZO(리튬-란타넘-지르코늄-산소)의 첨가물질을 조정해 리튬이온전도도를 기존보다 70% 개선했다. 회사 관계자는 "리튬이온전도도는 1.7센티미터당 밀리지멘스로 이는 세계 최고 수준"이라고 강조했다.

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리튬이온전도도가 높아지면서 안정성이 떨어지는 문제도 해결했다. LZZO의 미세구조를 균일하게 제어하는 기술을 접목하면서다. 고체전해질은 통상 수분과 이산화탄소에 취약해 장시간 대기에 노출되면 전해질로서 기능이 떨어진다. 다만 새로운 고체전해질 매우 우수한 안정성을 보였다는 설명이다.

배터리 용량 최대 25% 증가…전고체 배터리서 활용

산화물계 고체전해질은 다양한 장점이 있다. 우선 황화물계에 비해 이온전도도가 낮지만, 화학적 안정성이 우수하다. 이로써 양극 물질과 반응성이 적고 화재가 발생할 수 있는 리튬 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어 흑연 음극을 고용량인 리튬 메탈로 대체할 수 있다.

배터리 용량도 최대 25%까지 늘릴 수도 있다. 액체전해질을 사용한 리튬이온배터리(LiB)의 최대 사용 전압은 4.3V지만, 산화물계 고체전해질의 경우 최대 5.5V까지 늘어난다. 향후 개발 가능성도 무궁무진하다. 현재 NCM 양극재 기반 전고체배터리 외에도 차세대 배터리로 꼽히는 리튬-황 배터리와 리튬-공기 배터리를 전고체화할 수 있는 소재로도 활용 가능하다는 설명이다.

SK온 제공

SK온은개발 중인 고분자-산화물 복합 전고체배터리에도 산화물계 고체전해질을 적용할 수 있다고 덧붙였다. 회사 관계자는 "고분자계보다 기계적 성질이 우수해 기존 고분자 전고체배터리의 한계를 극복할 수 있다"며 "차세대 배터리에 적용한다면 화재 안전성과 장거리 주행 가능성을 모두 충족시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체배터리를 개발하고 있다. 두 종류 모두 2026년 초기 단계 시제품 생산하고 2028년 상용화가 목표다. 현재 대전 배터리연구원에 건설하고 있는 차세대배터리 파일럿 플랜트는 내년 완공될 예정이다.

최경환 SK온 차세대배터리연구센터장은 "이온전도도와 대기 안정성을 모두 갖춘 고체전해질은 고품질의 전고체배터리를 만들기 위한 혁신 기술로 파급효과가 매우 클 것"이라며 "미래 기술 경쟁력을 바탕으로 향후 차세대배터리 분야의 성장 기회를 선점해 나가겠다"고 말했다.

배성수 기자 baebae@hankyung.com