"실리콘 음극 전고체 배터리 난제 풀었다"...SK온, 신소재 개발 성과

네이처 커뮤니케이션스 게재
전도성 고분자 소재 활용 입증

[파이낸셜뉴스] SK온이 실리콘 음극 전고체 배터리 상용화의 고질적인 문제로 꼽힌 성능 저하를 해결할 수 있는 신소재를 개발했다.

15일 SK온은 연세대 정윤석·김정훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 '전자전도성 고분자(PPMA)'를 개발했다고 밝혔다. 전도성과 접착력을 동시에 확보해 실리콘 음극 전고체 배터리에서 반복 충·방전 시 발생하는 구조적 불안정 문제를 개선했다는 것이 SK온의 설명이다.

실리콘 음극은 이론적으로 흑연 대비 약 10배에 달하는 저장 용량을 지닌다. 그러나 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 변해 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 전고체 배터리는 고체 입자 간 접촉을 통해 전기가 흐르는 구조여서 접촉이 약해질 경우 성능 회복이 어렵다는 한계도 있다.

연구진은 저압 환경에서의 성능 저하 원인이 리튬 이온 이동보다는 전극 내부의 전자 전달에 있다는 점을 밝혀냈다. 새로 개발한 PPMA는 전극 내부에 안정적인 전자 이동 경로를 형성하고 실리콘 입자 간 결합력을 강화하도록 설계됐다.

SK온은 PPMA를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 가까운 압력 조건에서 구동하는 데 성공했다. 실험실 수준을 넘어 전기차 적용을 가정한 고에너지밀도 파우치형 배터리 형태로 성능을 검증했으며, 수백회 충·방전 이후에도 초기 성능을 안정적으로 유지했다.

PPMA는 물 기반 공정이 가능해 기존 공정 대비 제조 과정을 단순화하고, 생산 비용과 환경 부담을 줄일 수 있다는 장점도 있다. SK온은 압력 조건 역시 기존 대비 80% 이상 낮췄다고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다. 심사위원들은 기존 액체 전해질 배터리에서 활용이 제한적이었던 전도성 고분자 바인더를 전고체 배터리 환경에서도 안정적으로 구현했다는 점에서 의미가 있다고 평가했다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "산학 협력으로 차세대 전고체 배터리 분야에서 의미 있는 진전을 만들었다"며 "앞으로도 학계와 함께 차세대 배터리 기술 혁신의 속도를 높이겠다"고 말했다.

SK온은 전고체 배터리 상용화를 목표로 연구개발과 생산 준비를 병행할 계획이다. 대전 미래기술원에 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 구축했으며, 상용화 목표 시점은 2029년으로 설정하고 있다.

[e-mail] 김동찬 기자