SK온, R&D 성과 잇따라…실리콘 음극 전고체 상용화 해법 제시

네이처 커뮤니케이션스 SK온-연세대 전자전도성 고분자 소재 연구 논문. 사진: ‘네이처 커뮤니케이션스’ 캡쳐

[스포츠동아 원성열 기자] SK온이 신소재 개발을 통해 전고체 배터리 상용화의 최대 걸림돌로 꼽히던 실리콘 음극 성능 저하 문제의 해법을 제시하며 차세대 배터리 시장 주도권 확보에 나섰다. SK온은 최근 연세대 연구진과 공동으로 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 ‘PPMA’를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 게재되며 기술적 완성도를 인정받았다. 실리콘 음극은 흑연 대비 10배 높은 저장 용량을 갖췄으나 충·방전 시 부피가 300 % 이상 팽창해 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었으나, 이번 신소재 개발로 상용화의 핵심 난제를 극복했다는 평가다, 특히 실험실 수준을 넘어 실제 전기차 적용 조건인 고에너지 밀도 파우치형 배터리에서 수백 회 충·방전 후에도 초기 성능을 안정적으로 유지함을 검증함으로써 전고체 배터리 양산 시점을 앞당길 수 있는 획기적인 전기를 마련했다는 점에서 의미가 크다．

●실리콘 음극 상용화 해법
실리콘 음극은 고에너지 밀도 구현을 위한 차세대 핵심 소재이지만 입자의 팽창과 수축으로 인한 접촉 불량이 고질적인 문제였다. 전고체 배터리는 전극을 구성하는 고체 입자 간 접촉을 통해서만 전기가 흐르는 구조이기에 접착력이 뛰어난 바인더 사용이 필수적이다. 기존에 널리 쓰이던 PVDF 소재는 절연성이 강해 사용량을 늘릴 경우 전극 내부의 저항이 커져 성능을 높이기 어려운 딜레마가 있었다. SK온과 연세대 연구팀은 저압 환경에서의 성능 저하 원인이 리튬이온 전달보다 전극 내부의 전자 이동 장애에 있음을 학계 최초로 규명하고, 전도성과 접착력을 동시에 갖춘 PPMA를 개발하는 데 성공했다.

이번에 개발된 신소재 바인더는 전극 전반에 전자가 이동할 수 있는 통로를 안정적으로 형성하면서도 실리콘 입자 간 결합력을 강화하도록 설계되었다. 특히 공정 효율과 친환경성 측면에서 탁월한 성과를 거두었다. 기존 공정은 특수 용매와 고압 환경이 필요했으나 PPMA는 물 기반 공정이 가능해 제조 원가를 절감하고 환경 부담을 최소화할 수 있다. 또한 구동에 필요한 압력을 기존 대비 80 % 이상 낮춰 배터리 팩 설계의 유연성을 확보했다.

SK온은 2025년 하반기 대전 미래기술원 내 4628㎡ 규모의 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공하며 양산 준비에 박차를 가하고 있다. 박기수 SK온 미래기술원장은 “산학 협력으로 차세대 전고체 배터리 분야에서 의미 있는 진전을 만들었다”며 “앞으로도 학계와 함께 차세대 배터리 기술 혁신의 속도를 높이겠다”고 밝혔다.


원성열 기자 sereno@donga.com