지난해 7월30일 서울 종로구 SK서린빌딩 수펙스홀에서 열린 '2025 SK이노베이션 기업가치 제고 전략 설명회'에서 SK온 성장 스토리에 대해 발표하고 있는 이석희 SK온 사장. /사진=SK이노베이션

SK온이 서울대학교 강기석 교수 연구팀과 진행한 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극 개발에 성공했다고 8일 밝혔다. 이번 연구는 세계 최고 권위의 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재됐다.

단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다는 평가를 받으며 배터리 수명·안정성·에너지 밀도 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.


현재 업계에서 주로 사용되는 다결정 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자 균열이 발생해 내부 가스 생성 위험이 있다.

반면 단결정 양극재는 하나의 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 균열에 강하고 안정성과 수명이 우수하다. 다만 단결정 양극재는 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시키는 동시에 구조적 안정성을 확보하기 어려워 업계의 난제로 꼽혀왔다.

특히 니켈 함량이 높은 양극 소재의 경우 단결정 형성을 위해 고온·장시간 열처리가 필요하며 이 과정에서 양이온 무질서 현상이 발생해 성능과 수명이 저하되는 문제가 있었다.


SK온과 서울대 연구진은 이를 해결하기 위해 새로운 합성 방식을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 합성한 뒤 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 단결정 구조를 유지한 채 양극 소재를 확보할 수 있었다.

또 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목해 화학 조성·온도·시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다. 그 결과 일반 양극재 대비 약 2배에 달하는 10μm 크기의 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈 단결정 양극재 개발에 성공했다.

해당 양극재는 기계적·화학적 안정성과 높은 에너지 밀도를 동시에 확보한 것으로 나타났다. 테스트 결과 구조 변형이 크게 줄었고 가스 발생량은 다결정 양극재 대비 25배 감소했다. 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달하는 것으로 확인됐다.

SK온과 서울대 연구진은 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 계획이다. 보다 고도화된 소재 조성과 합성 기술을 모색하는 한편 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 높이는 방안도 검토 중이다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온의 기술 경쟁력을 입증한 사례"라며 "앞으로도 학계와의 협력을 통해 혁신적인 연구개발을 지속하며 기술 리더십을 강화해 나가겠다"고 말했다.