배터리 판 뒤집을까···SK온이 개발했다는 '이 물질'(종합)

전고체 상용화 위한 신(新)고체전해질 개발

리튬이온 이동 속도, 기존 대비 70% 개선

화재 위험성 낮아···"미세구조 균일 제어"

SK온이 지난 3월 인터배터리 전시회에서 공개한 전고체배터리 개발품. 사진=SK온 제공.

오는 2028년 전고체 배터리 상용화를 목표로 하는 SK온이 세계 최고 수준의 리튬이온전도도를 갖는 산화물계 신(新) 고체전해질을 박희정 단국대 신소재공학과 교수 연구팀과 공동개발했다. SK온은 이번 개발로 전고체배터리 경쟁력이 한층 높아질 것으로 내다봤다.

SK온이 공동개발한 고체전해질은 리튬이온전도도를 크게 높인 결과물이다. 리튬이온전도도는 전해질 내 리튬 이온의 이동 속도로 속도가 빠를수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다. 다만 고체전해질은 말 그대로 '고체'라 활물질간 이동이 어려운데 SK온과 단국대 연구팀은 Li-La-Zr-O(리튬-란타넘-지르코늄-산소 : LLZO)의 첨가물질 조정을 통해 리튬이온전도도를 기존보다 70% 개선하며 세계 최고 수준으로 높였다.

LLZO는 산화물계 무기 고체전해질 소재 중 하나다. 무기 고체전해질은 특성상 불연성이라 고온에서도 안전성에 우수하고 리튬이온전도도의 수율이 매우 높다. 다만 수분(H₂O)과 이산화탄소(CO₂)에 취약해 장시간 대기에 노출되면 배터리 셀이 열화할 수 있는 단점이 있다.

공동 연구팀은 이같은 문제를 개선하기 위해 미세구조를 균일하게 제어하는 기술로 극복했다. SK온 관계자는 "미세구조 제어는 파우더 합성과 소성 기술로 제어했다"고 전하면서 구체적인 기술은 특허 내용이라 공개하기 어렵다고 덧붙였다.

기본적으로 산화물 기반의 고체전해질 소재는 설계에 따라 소재의 조성 분말, 크기 및 형상 결정구조의 제어가 필요한데 새롭게 개발된 고체전해질은 리튬 덴드라이트 현상을 억제할 수 있어 흑연 음극을 고용량인 리튬 메탈로 대체할 수 있게 됐다. 기존 배터리 대비 리튬 사용량을 늘려 에너지 출력을 높일 수 있기 때문에 주행거리를 끌어올릴 수 있는 것이다. 리튬 덴드라이트는 충·방전 시 리튬 이온이 양극과 음극을 오갈 때 음극 표면에 쌓이는 가지 모양의 결정체로 이 결정체가 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락이 발생, 화재로 이어질 수 있다.

현재 전기차는 '액체' 상태의 전해질인 전해액을 사용하는 리튬이온 배터리를 탑재하고 있다. 하지만 배터리의 전해질을 액체로 사용할 경우 화재 위험성이 높아져 안정성 문제가 가장 큰 단점으로 꼽혀왔다. 배터리 업계에선 전해질을 '고체'로 만들면 화재 위험성을 낮출 수 있다고 분석하며 전고체 배터리를 '꿈의 배터리'로 분류하고 있다.

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