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SK온은 최근 한양대학교 김동원 교수팀과 공동으로 초박형 리튬 금속 전극 표면에 특수 무기질 보호층을 형성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.이번 기술은 에너지 분야 국제 저널인 'ACS 에너지 레터스)'에 게재됐다.SK온은 동시에 국내외 특허 출원도 완료하며 기술 상용화 기반을 다졌다.
핵심은 두께 20㎛ 수준의 리튬 금속 전극에 질화리튬(Li₃N)과 산화리튬(Li₂O) 기반의 복합 보호층을 정밀하게 코팅하는 기술이다.연구팀은 나이트로메탄(NM),디메톡시에테르(DME),질산리튬(LiNO₃)을 혼합한 용액(NDL)을 활용해 고체 전해질과의 부반응을 억제하고 리튬 금속 표면에 균일한 계면 안정화를 구현했다.
가장 주목받는 부분은 덴드라이트 억제 효과다.덴드라이트는 리튬 금속 전극 충·방전 과정에서 나뭇가지처럼 자라나는 결정체로,전해질을 관통해 단락(쇼트)이나 화재를 유발할 수 있다.액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리의 구조적 특성상 덴드라이트가 전해질 자체를 파괴할 가능성도 크다.
SK온의 기술은 이같은 덴드라이트 생성 메커니즘을 물리적·화학적 이중 방어층으로 차단함으로써 1000시간 이상 장기 사이클에서도 쇼트 없이 안정적인 구동을 실증했다.실험결과에 따르면 NCM 양극(Ni 78%),황화물계 고체 전해질(Li₆PS₅Cl),NDL 처리 리튬 금속으로 구성된 셀을 30℃,토스카지노 토토사이트0.3C 조건에서 300회 이상 충·방전했을 때 초기 방전 용량(159.7 mAh/g)의 69%를 유지했다.기존 음극 메탈 배터리 수명을 3배로 늘린 셈이다.고에너지 밀도를 위한 초박형 리튬 전극에서 이 같은 수명을 확보한 것은 이례적이다.
특히 이번 기술은 기존의 보호층 기술들이 수백 ㎛ 두께의 리튬 금속을 전제로 했던 것과 달리 20㎛ 초박형 리튬에서도 실효성을 입증했다.이는 고밀도 셀 설계는 물론 배터리 경량화와 양산 공정의 유연성 확보 측면에서도 중대한 진전으로 평가된다.
이번 성과는 SK온이 추진 중인 황화물계 전고체 배터리 개발 로드맵에서 중요한 이정표로 자리잡을 전망이다.황화물계는 고이온전도도와 낮은 가공온도를 바탕으로 양산 적합성이 높은 플랫폼으로 평가받고 있다.SK온은 이를 2028년 상용화 목표로 개발 중이다.
박기수 SK온 R&D본부장은 "이번 성과는 SK온의 지속적인 연구개발 노력과 기술적 저력이 학계와의 협력을 통해 맺은 결실"이라며 "차세대 배터리로 주목받는 고체 전지의 기술적 난제를 돌파하는 데 핵심 토대가 될 것"이라고 말했다.
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