SK온, 실리콘 음극 전고체 배터리용 신소재 바인더 개발

[아이뉴스24 권서아 기자] SK온이 실리콘 음극 전고체 배터리의 성능 저하 문제를 개선할 수 있는 신소재를 개발했다. 차세대 배터리 상용화를 가로막아 온 기술적 한계를 소재 측면에서 보완했다는 점에서 주목된다.

SK온은 연세대학교 정윤석·김정훈 교수 연구팀과 공동으로 실리콘 음극에 적용 가능한 전도성 고분자 바인더 'PPMA'(전자전도성 고분자)를 개발했다고 15일 밝혔다. 이 소재는 전도성과 접착력을 동시에 확보해 전극 내부 전자 이동을 개선하고, 실리콘 입자 간 결합력을 높인 것이 특징이다.

실리콘 음극은 이론적으로 흑연보다 약 10배 높은 저장 용량을 구현할 수 있지만, 충·방전 과정에서 부피가 300% 이상 팽창·수축해 상용화의 주요 장애 요인으로 지적돼 왔다.

전고체 배터리는 고체 입자 간 접촉을 통해 전류가 흐르는 구조여서, 접촉이 약해질 경우 성능을 회복하기 어렵다는 한계도 안고 있다.

연구진은 저압 조건에서 성능이 저하되는 주된 원인이 리튬 이온 이동보다는 전극 내부의 전자 전달에 있다는 점을 규명했다.

이에 따라 새롭게 개발된 PPMA는 전극 내부에 안정적인 전자 이동 경로를 형성하고, 실리콘 입자 간 결합력을 높이도록 설계됐다.

SK온은 PPMA를 적용한 실리콘 음극 전고체 배터리를 상용화에 근접한 압력 조건에서 안정적으로 구동하는 데 성공했다고 밝혔다.

실험실 단계의 셀을 넘어 전기차 적용을 가정한 고에너지밀도 파우치형 배터리로 성능을 검증했으며, 수백 차례 충·방전 이후에도 초기 성능을 안정적으로 유지한 것으로 나타났다.

PPMA는 물 기반 공정 적용이 가능해 기존 대비 제조 공정을 단순화할 수 있으며, 생산 비용 절감과 환경 부담 완화 효과도 기대된다. SK온은 배터리 구동에 필요한 압력 역시 기존보다 80% 이상 낮췄다고 설명했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다. 심사위원들은 액체 전해질 배터리에서는 활용이 제한적이었던 전도성 고분자 바인더를 전고체 배터리 환경에서도 안정적으로 구현했다는 점을 높이 평가했다.

박기수 SK온 미래기술원장은 "산학 협력을 통해 전고체 배터리 핵심 기술 확보에 의미 있는 성과를 냈다"며 "차세대 배터리 기술 경쟁력 강화를 위한 연구개발을 지속하겠다"고 말했다.

한편 SK온은 2025년 하반기 대전 미래기술원 내 약 4628㎡ 규모의 전고체 배터리 파일럿 플랜트를 준공했으며, 전고체 배터리 상용화 목표 시점은 2029년으로 잡고 있다.