이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 실리며 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시해 배터리 수명∙안정성∙에너지밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것으로 평가받았다.
현재 업계에서 사용하는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 개의 입자가 뭉쳐 있는 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스 발생 가능성이 있다. 반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이루어져 있어 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명이 뛰어나다.
다만 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시킴과 동시에 구조적 안정성까지 확보하는 것이 어려워 업계의 난제로 꼽혀왔다.
특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정을 생성하기 위해서는 고온∙장시간 열처리가 필요한데 이 과정에서 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능∙수명 저하로 이어질 수 있다는 지적도 제기돼 왔다.
SK온과 서울대 연구진은 문제 해결을 위해 새로운 합성 방법을 고안했다.
구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다.
연구진은 대형 입자 단결정이 높은 에너지 밀도 구현에 유리하다는 점에 주목해 화학적 조성, 온도, 시간 등 제작을 위한 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘도 분석했다.
그 결과 일반 양극재 입자 크기의 약 2배에 달하는 10마이크로미터(μm) 크기의 입자로 구성된 '울트라 하이니켈' 단결정 양극재 개발에 성공했다.
이 양극재는 양이온 무질서가 없다는 점이 특징이며, 테스트 결과 구조 변형이 감소하고 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배 줄어든 것으로 나타났다. 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77% 수준으로 평가됐다.
SK온과 서울대 연구진은 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 예정이다.
박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 지닌 기술 경쟁력을 확실히 보여주는 사례"라며 "앞으로도 학계와 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하고 기술 리더십을 강화해 나가겠다"고 말했다.
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