SK온이 신소재 개발을 통해 실리콘 음극 전고체 배터리 상용화 과정에서 가장 큰 난제로 지목돼 온 성능 저하 문제를 기술적으로 풀어냈다.

SK온은 15일 연세대학교 정윤석·김정훈 교수 연구팀과 함께 실리콘 음극에 최적화된 신소재 바인더 '전자전도성 고분자(PPMA)'를 개발했다고 밝혔다. PPMA는 전도성과 접착력을 동시에 갖춘 소재로, 충·방전 과정에서 반복되는 실리콘 음극의 팽창·수축 환경에서도 입자 간 접촉과 전자 이동 경로를 안정적으로 유지하도록 설계됐다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난해 12월 5일 게재됐다. 심사위원들은 기존 액체 전해질 기반 배터리에서는 활용이 제한됐던 전도성 고분자 바인더를 전고체 배터리 환경에서 안정적으로 구현해 적용 범위를 넓혔다는 점을 높이 평가했다.

SK온은 신소재 바인더를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 가까운 압력 조건에서 구동하는 데 성공했다. 실험실 수준의 소형 셀을 넘어 실제 전기차 적용을 가정한 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 검증했으며 수백 회에 걸친 충·방전 시험 이후에도 초기 용량과 성능을 안정적으로 유지한 것으로 나타났다.

실리콘 음극은 이론적으로 흑연 대비 약 10배에 달하는 저장 용량을 지닌 차세대 배터리 핵심 소재로 꼽힌다. 그러나 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 팽창·수축하면서 입자 간 접촉이 끊기고 내부 저항이 증가하는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 작용해 왔다.

전고체 배터리는 고체 전극 입자 간 접촉을 통해서만 전류가 흐르는 구조로, 접촉이 끊길 경우 성능 회복이 쉽지 않다. 기존에는 바인더 사용량을 늘리거나 높은 압력을 가하는 방식이 활용됐지만 널리 사용된 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 바인더는 절연성이 강해 사용량이 늘수록 전극 성능 저하라는 한계를 안고 있었다.

SK온과 연세대 연구진은 저압 환경에서 나타나는 성능 저하의 주된 원인이 리튬이온 전달이 아니라 전극 내부 전자 이동에 있다는 점을 규명했다. 이에 따라 새롭게 개발한 PPMA는 전극 전반에 연속적인 전자 이동 통로를 형성하는 동시에 실리콘 입자 간 결합력을 강화해 구조적 안정성을 확보했다.

공정 측면에서도 개선 효과가 뚜렷하다. 기존 방식은 특수 용매와 고압 공정이 필요했으나, PPMA는 물 기반 공정이 가능해 환경 부담을 줄이고 생산 비용을 절감할 수 있다. 적용 압력도 기존 대비 80% 이상 낮췄다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "산학 협력으로 차세대 전고체 배터리 분야에서 의미 있는 진전을 만들었다"며 "앞으로도 학계와 함께 차세대 배터리 기술 혁신의 속도를 높이겠다"고 말했다.