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이온전도도 10배 늘려…고속충전 성능·화재 안전성 확보
‘노벨화학상’고(故) 굿 이너프 교수 연구팀과 공동연구 SK온 CI,카지노 김준배UT Austin 로고.[SK온 제공] 
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[헤럴드경제=서재근 기자] SK온이 상온에서도 구동할 수 있는 리튬메탈 배터리용 고분자 전해질 공동개발에 성공했다.
SK온은 고(故) 굿 이너프 텍사스대학교 교수의 제자인 하디 카니 교수 연구팀과 신규 고분자 전해질인‘SIPE(single-ion conducting polymer electrolyte)’를 개발했다고 16일 밝혔다.
굿 이너프 교수는 리튬이온 배터리 용량을 2배로 늘린 배터리 선구자다.2019년 97세에 노벨화학상을 받아 최고령 노벨상 수상 기록도 세웠다.2020년부터 SK온과 리튬메탈 배터리를 구현하기 위한‘고체 전해질’공동 개발을 진행해 왔다.지난해 6월 별세 후 제자인 카니 교수가 연구팀을 이끌고 있다.해당 연구는 전기화학 분야의 권위 있는 학술지‘일렉트로케미컬 소사이어티’에 게재됐다.
고분자 전해질은 가격이 저렴하고 제조가 용이해 차세대 고체 배터리 소재로 주목받는다.하지만 산화물계,황화물계에 비해 이온전도도가 낮아 70~80도의 고온에서만 구동하는 점이 극복해야 할 과제 가운데 하나로 여겨진다.
SIPE는 이온전도도(물질의 이온전도 경향을 나타내는 척도)와 리튬 이온 운반율(전하 입자가 전기를 나르는 분담의 비율)을 개선해 이를 해결했다.기존 고분자 전해질 대비 상온 이온전도도를 약 10배(1.1x10-4S/㎝)까지 끌어올렸으며,리튬 이온 운반율 역시 0.2에서 0.92로 5배 가까이 늘렸다.
리튬이온 전도도와 리튬 이온 운반율이 높아지면 배터리 출력 및 충전 성능 또한 향상된다.실제 실험 결과,SIPE를 적용한 배터리는 저속 충방전(0.1C) 대비 고속 충방전(2C) 시 배터리 방전 용량이 77%로 유지됐다.고체 전해질은 이온 전도도가 낮아 고속 충전 시 방전 용량 저하가 두드러지는데,이를 최소화한 셈이다.
고체 전해질 계면 안정성을 높여 덴드라이트(충방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극을 오갈 때 음극 표면에 쌓이는 가지 모양의 결정체) 형성을 억제한 점도 주목할 만하다.리튬메탈 배터리는 음극으로 흑연이 아닌 금속 리튬을 사용해 에너지 밀도를 대폭 높일 수 있다.다만,상용화를 위해서는 고질적 덴드라이트 현상 해결이 필수적이다.
이외에도 SIPE는 높은 기계적 내구성을 갖춰 대량생산이 가능하며,열적 안전성이 우수해 250도 이상 고온에도 견딜 수 있다.차세대 복합계 고체 배터리에 적용할 경우 충전 속도와 저온 성능을 개선할 것으로 기대된다.
김태경 SK온 차세대배터리센터장은 ”이번 연구 성과를 바탕으로 고분자 전해질을 적용한 고체 배터리 개발에 한층 속도를 높일 수 있을 것으로 기대한다”며 “SK온은 신규 소재 기술 경쟁력을 바탕으로 향후 차세대배터리 분야의 성장 기회를 선점해 나갈 것”이라고 말했다.
한편,카지노 김준배SK온은 고분자-산화물 복합계와 황화물계 등 두 종류의 전고체 배터리를 개발 중이다.각각 2025년,2026년 파일럿 시제품을 생산하고 2028년,2029년에는 상용화 시제품을 생산한다는 목표다.
