[비즈니스포스트] SK온은 국내 대학과 함께 진행한 전고체 배터리 연구개발과제의 결과를 담은 논문이 최근 국제 학술지에 연달아 게재됐다고 13일 밝혔다.

일부 연구 결과는 국내외 특허출원을 완료했다.
 

전고체 배터리는 현재 리튬이온 배터리에 적용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리이다. 크게 황화물계, 산화물계, 고분자계로 나뉜다.

한국세라믹기술원 김진호 박사 연구팀과 함께 진행한 연구는 ‘초고속 광소결 기술’을 적용한 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리 제조공정 고도화가 핵심이다.

회사 측은 “인쇄회로 기판 공정에 활용하는 광소결 기술을 배터리 제조에 접목시킨 획기적 연구”라고 평가했다.

광소결은 순간적으로 강한 빛을 쬐어 분말 입자의 결합을 촉진시키는 공정이다. 강도와 내구성 등이 향상된 고체 덩어리를 만들 수 있다. 

해당 연구를 다룬 논문은 ACS에너지레터스의 표지논문으로 실렸다. 논문 저자 9명 중 6명이 SK온 소속이다.
 
특히 산화물계 전해질은 리튬이온의 이동 경로와 기계적 강도 증가를 위해 일반적으로 섭씨 1천도 이상의 고온과 10시간 이상의 열처리 공정이 필요하다.

하지만 제조 원가부담과 소재의 취성 파괴 등의 취약점을 극복하기 위한 면적 대형화가 과제로 여겨진다.

이에 SK온은 빠른 속도와 저온 열처리가 특징인 광소결 기술을 해법으로 제시한 것이다.

연구진은 조사된 빛의 에너지 손실을 최소화하는 유색 무기 안료를 산화물 전해질 소재에 적용시켰다. 

또 선택적으로 수 초안에 열처리를 가능케하는 초고속 광소결 기술을 활용, 최적의 균일성을 갖는 다공성 구조체를 만들었다.
 
나아가 연구진은 초고속 광소결 기술로 제조된 산화물 내부에 고분자 전해질을 포함하는 고분자-산화물 복합전해질을 구현했다. 해당 전해질이 적용된 배터리는 수명 특성이 우수한 것으로 실험에서 나타났다.

망간리치 양극재의 황화물계 전고체 배터리 적용 가능성을 분석한 연구 결과를 공개하기도 했다. 해당 연구는 이규태 서울대 교수 연구팀과 진행했다. 

연구 논문은 국제학술지 '어드밴스드에너지머티리얼스' 표지 논문으로 지난달 발간됐다.

망간리치계 양극 활물질의 열화 메커니즘을 규명해 성능 위주로 다룬 기존 연구와 차별되었다는 평가를 받는다.

망간리치계 양극재는 니켈, 코발트보다 저렴한 망간을 기반으로 해 원가에서 이점이 있다. 다만 기존 리튬이온배터리에 적용시 액체 전해질 부반응으로 가스 발생, 전압 강하, 용량 감소 등의 해결과제가 있다.
 
SK온과 연구진은 고온·고전압에서 충·방전 중 망간리치계 활물질에서 발생한 산소가 황화물계 고체전해질을 산화시켜 열화가 생기는 현상을 여러 분석을 통해 규명했다. 

이를 해결하기 위해 산소 발생을 저감하는 특수 코팅재를 적용해 배터리 수명을 개선하는 방법을 찾았다.

박기수 SK온 연구개발(R&D) 본부장은 "SK온은 차세대 배터리 분야를 선도하기 위해 연구개발에 더욱 매진하겠다"고 말했다.

SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발하고 있다. 각각 2027년, 2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 목표를 세웠다. 대전 배터리연구원에 건설하고 있는 차세대 배터리 파일럿 플랜트는 올해 하반기 완공된다. 신재희 기자