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연구의 핵심은 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시했다는 점이다. 이에 배터리 수명·안정성·에너지밀도 향상에 큰 발전을 가져올 것으로 평가 받는다.
단결정 양극재는 하나의 단위 입자가 단일 결정 구조로 이뤄져 있다. 이에 쉽게 균열이 일어나지 않아 안정성과 수명 측면에서 강점이 있다. 현재 업계에서 통용되는 다결정 양극재가 압연 공정이나 충·방전 과정에서 입자에 균열이 일어나 내부 가스 발생 가능성이 있는 것과 비교되는 지점이다.
그러나 업계는 단결정 양극재 소재 합성 과정에서 기술적 난제를 겪어 왔다. 입자를 크고 균일하게 성장시키는 것과 동시에 구조적 안정성까지 확보하는 것이 어려웠던 탓이다. 특히 니켈 함량이 높을수록 단결정 생성을 위한 고온·장시간 열처리가 필요한데, 이 경우 양이온 무질서 현상이 나타나 배터리 성능·수명 저하 등의 문제가 대두됐다.
양이온 무질서 현상은 니켈 기반 양극 소재에서 리튬과 니켈 이온의 비슷한 크기 때문에, 각자 있어야 할 층을 벗어나 서로 뒤섞여 배열되는 현상이다. 이로 인해 리튬 이온 이동이 원활하지 않아 배터리 출력, 충·방전 속도 저하 등을 일으킨다.
이에 SK온과 서울대 연구진은 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장(원자나 이온이 규칙적인 배열을 이루며 하나의 결정으로 점차 커지는 과정)이 쉬운 나트륨 기반 단결정을 먼저 만들고 이온 교환을 통해 리튬으로 대체하는 방식이다. 튼튼한 단결정 구조가 유지된 채 양극 소재를 얻을 수 있는 것이다.
아울러 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목했다. 이에 따라 화학적 조성·온도·시간 등 제작을 위한 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 분석했다. 그 결과, 일반 양극재 입자 크기의 약 2배에 달하는 10마이크로미터(μm·100만분의 1m) 크기의 입자로 구성되고 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈(양극재 내 니켈 함량이 94% 이상) 단결정 양극재 개발에 성공했다.
해당 단결정 양극재는 뛰어난 기계·화학적 안정성과 높은 에너지 밀도를 지닌 것으로 나타났다. 테스트 결과에 따르면, 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 감소했다. 가스 발생량도 다결정 양극재와 비교했을 때 25배나 줄어들었고, 에너지 밀도는 이론적 결정 밀도의 최대 77%에 달하는 것으로 나타났다. 이론적 결정 밀도는 결함, 불순물이 전혀 없는 완벽한 결정 상태를 가정했을 때의 최대 밀도를 의미한다.
SK온과 서울대 연구진은 이번 연구 결과를 바탕으로 에너지 밀도를 높이는 등 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구도 이어갈 예정이다. 박기수 SK온 미래기술원장은 “이번 연구 성과는 배터리 소재 분야에서 SK온이 지닌 기술 경쟁력을 보여주는 사례”라며 “앞으로도 학계와 협력을 통해 기술 리더십을 강화해 나가겠다”고 말했다.
