[서울타임즈뉴스 = 최남주 기자] SK온이 차세대 양극재 개발에서 획기적인 돌파구를 마련하며 배터리 기술 리더십을 한층 강화했다. SK온은 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 함께 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재되며 기술적 완성도를 인정받았다.

현재 배터리 업계에서 널리 사용되는 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉쳐 있는 구조로, 압연 공정이나 충·방전 과정에서 미세 균열이 발생할 가능성이 크다. 이로 인해 내부 가스 발생과 성능 저하 문제가 뒤따른다. 반면 단결정 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열에 강하고 수명과 안정성이 뛰어나 차세대 배터리 소재로 주목받아 왔다.

그러나 단결정 양극재는 입자를 크고 균일하게 성장시키면서도 구조적 안정성을 확보하는 것이 어려워 기술적 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극재는 고온·장시간 열처리가 필요해 양이온 무질서 현상이 발생하고, 이는 배터리 성능과 수명 저하로 이어지는 한계가 있었다.

SK온과 서울대 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 합성 경로를 제시했다. 구조적으로 안정적이고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤, 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 단결정의 견고한 구조를 유지한 채 양극 소재를 구현하는 데 성공했다.

연구진은 대형 입자 단결정이 에너지 밀도 향상에 유리하다는 점에 착안해 화학 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 체계적으로 분석했다. 그 결과 기존 양극재 입자 크기의 약 두 배인 10마이크로(μm) 크기의 울트라 하이니켈 단결정 양극재를 개발했다. 양이온 무질서가 없는 안정적인 구조를 구현했다.

테스트 결과 해당 양극재는 기계적·화학적 안정성이 크게 향상됐다. 가스 발생량은 기존 다결정 양극재 대비 25배 감소한 것으로 나타났다. 에너지 밀도 역시 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달해 고에너지 배터리 구현 가능성을 입증했다.

SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 계획이다. 박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구는 배터리 소재 분야에서 SK온의 기술 경쟁력을 보여주는 대표적 사례”라며 “학계와의 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속해 나가겠다”고 말했다.