컨텐츠 바로가기

삼성·현대차·SK가 탐내는 꿈의 기술 ‘무음극 배터리’, 1회 충전에 800㎞ 주행

댓글 1
주소복사가 완료되었습니다
최근 국내 배터리 업계가 음극재가 없거나 극소량의 리튬만 적용하는 일명 ‘무음극 배터리’ 개발에 관심을 보이고 있다. 삼성SDI(006400)가 삼성전자 종합기술원을 통해 관련 연구를 진행하고 있고, SK온(전 SK이노베이션(096770) 배터리 부문)도 내부에 연구팀을 꾸리고 기술 개발을 검토하고 있다. 글로벌 전기차 1위 업체 테슬라와 전기차 라인업을 강화하고 있는 현대차(005380)도 이 기술에 관심을 보이는 것으로 전해진다.

배터리 업계는 무음극 배터리 상용화를 기대하는 것은 시기상조지만, 기술 개발에 성공하면 배터리 시장 판도를 바꿔 놓을 게임체인저(game changer)가 되는 것은 분명하다고 설명하고 있다.

무음극(Anodeless) 배터리는 음극에 리튬이 없는 기재만을 사용하거나 극소량의 리튬만을 적용하는 기술을 말한다. 애노드-프리(anode-free) 또는 애노드레스(Anodeless)라고도 한다. 음극재는 배터리 충전 속도와 수명에 영향을 준다. 음극재를 없애거나 줄이면 그만큼 배터리 에너지 밀도가 높아지고 수명도 길어진다. 현재 널리 사용하고 있는 흑연 음극재는 배터리는 성능을 끌어올리는 데 한계에 도달해 다른 물질로 대체하는 연구가 활발히 진행 중이다.

조선비즈

삼성전자 종합기술원이 무음극 배터리 기술을 적용한 전고체 배터리의 인포그래픽./ 삼성전자 종합기술원 제공

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>



16일 배터리 업계에 따르면 SK온은 차세대배터리 연구부서에 애노드레스 리튬이온 배터리 개발팀을 만들고 관련 연구를 진행 중이다. 애노드레스 배터리는 음극에 리튬이 없는 기재만을 사용하거나 극소량의 리튬만을 적용하는 기술을 말한다.

삼성전자(005930) 종합기술원도 지난해 3월 차세대 배터리로 주목받고 있는 ‘전고체전지(All-Solid-State Battery)’에 대한 원천기술을 세계 유명 학술지 ‘네이처 에너지’에 게재하면서, 애노드레스 배터리 구조에 대한 내용을 발표했다. 초기 상태에는 음극재가 없다가 충전시 음극이 생겨나는 구조다. 글로벌 1위 전기차 업체 테슬라도 무음극 배터리 연구를 진행하고 있고, 관련 특허도 출원했다. 현대차그룹은 2019년 관심 연구 개발 분야에 무음극 배터리를 포함했다.

전기차에 가장 많이 사용되는 리튬이온 배터리는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 등 4대 요소로 구성된다. 현재까진 음극재가 없는 배터리는 사실상 불가능하다는 것이 업계의 정설이다.

리튬이온 배터리의 원리를 간단히 설명하면 양극재에 있는 리튬이온이 전해액을 통해 분리막을 거쳐 음극재로 이동할 때 에너지가 충전되고, 반대로 음극재에서 양극재로 리튬이온이 이동하면 전기가 발생하는 구조다. 양극의 리튬이온은 충전시 음극의 음극재로 삽입돼 저장된다.

조선비즈

주요 배터리 기술별 에너지 밀도 그래프./하이투자증권 제공

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>



글로벌 배터리 업체는 충전 시간을 줄이고 주행 거리는 늘리는 경쟁을 벌이고 있다. 현재 널리 쓰이는 음극재인 흑연 대신 실리콘이나 리튬금속을 쓰는 방안이 진행 중이다. 음극재는 배터리 제조 가격의 20%를 차지할 만큼 가격이 비싸다. 실리콘이나 리튬금속을 사용할 경우 생산 단가는 더 올라간다.

실리콘과 리튬금속에는 치명적인 단점이 있다. 실리콘 음극재는 흑연재보다 에너지 밀도가 10배 높고 충·방전 속도도 빠르지만, 충·방전시 부피가 3~4배 팽창하는 문제가 있다. 이는 배터리 화재의 원인이 될 수 있어 현재는 음극재에 실리콘을 5% 미만만 넣고 있다. 또 부서지기 쉽고, 전극에 잘 붙지 않아 별도의 접착제를 사용해야 한다.

리튬금속도 지금의 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 10배가량 높지만, 덴트라이트 현상으로 폭발 위험이 있다. 덴트라이트는 금속 표면에 비정상적으로 자라는 나뭇가지 형태의 결정으로 전지의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.

이를 보완하기 위해 삼성전자 종합기술원이 고안한 기술이 무음극 배터리다. 기술원은 리튬금속 음극재 대신 음극에 5마이크로미터(100만분의 1미터) 두께의 은-탄소 나노입자 복합층을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 세계 최초로 적용했다. 충전시 음극 표면에 리튬메탈 형태로 음극재가 생겼다가 방전시에는 없어지는 구조다.

기술원은 이 기술로 1회 충전에 800㎞ 주행, 1000회 이상 배터리 재충전이 가능할 것이라고 전망했다. 현재 테슬라의 최장 거리 전기차 ‘모델S 롱 레인지’의 최대 주행거리는 652㎞다. 기존의 전기차 배터리는 완전 충·방전을 할 경우 최대 충전 횟수를 200~300회 정도로 본다.

이 논문이 발표됐던 지난해 배터리 업계와 학계에서는 실현 가능성이 낮은 기술로 받아들여졌다. 한 배터리 업체 연구원은 “삼성기술원의 애노드레스 구조는 리튬금속을 양극재로 사용하는 전고체 배터리의 단점을 해결하기 위한 기술이었다”며 “현재 리튬배터리 구조에선 결국 어떤 음극재를 쓰느냐의 문제이지, 완전한 애노드레스는 불가능하다고 본다”고 했다.

이런 가운데 최근 국내 연구진이 음극재를 없애고 집전체만 사용한 리튬이온 전지를 구현할 수 있는 기술을 발표해 주목받고 있다. 카이스트(KAIST) 김희탁 교수 연구팀은 지난달 20일 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 게재한 논문에서 음극재 부품으로 집전체만 사용한 ‘음극재 없는 리튬 전지(Anode-free Li battery)’ 기술을 공개했다. 음극 활물질을 저장하는 구리 집전체를 활용해 흑연 음극재를 없앰으로써 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다고 연구팀을 설명했다.

집전체는 전지 내 활물질에서 전기화학 반응이 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 활물질에서 전자를 받아 외부로 흘려보내는 통로 역할을 한다. 배터리 핵심 소재 중 하나인 동박(전지박)이 바로 집전체다. 동박은 구리로 만들지만, 연구팀은 이를 보완한 음극 집전체를 사용해 구리 집전체의 단점을 보완했다고 설명했다.

조선비즈

카이스트(KAIST) 김희탁 교수 연구팀이 개발한 무음극재 리튬이온배터리./카이스트 제공

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>



김희탁 KAIST 교수는 “음극 집전체는 기존 구리 집전체에 비해 월등히 높은 성능을 보였고, 극미량의 전해액을 전지 내에 주입해도 구동한다는 것을 확인했다”며 “리튬이온전지의 궁극적 형태인 음극재 없는 리튬배터리 구현을 위한 집전체 기술을 새롭게 제시했다는 데 의미가 크다”고 했다.

배터리 업계에서는 무음극 배터리가 개발되면 관련 시장을 획기적으로 바꿔놓을 수 있다고 보고 있다. 국내외 배터리 업체가 무음극 배터리 개발에 관심을 보이는 이유다. 하지만 아직은 음극재를 없애거나 최소화했을 때 배터리가 구동하는지 구조적인 설계를 해보는 수준에 머물러있어 상용화까지는 갈 길이 멀다. 업계 일각에서는 연구만 진행하다가 최종 상용화는 실패할 것이라는 전망도 적지 않다.

업계 관계자는 “현재 흑연 음극재 배터리는 지난 30년 동안 최적화가 진행돼 더이상 성능 개선이 힘든 수준까지 왔다”며 “글로벌 배터리 업체들이 배터리 성능 개선을 위한 경쟁을 펼치면서 애노드레스와 같은 신개념 기술도 검토를 하는 것 같다. 다음 단계로 넘어가기 위한 과도기 같은 상태라 어떤 기술이 차세대 배터리 기술이 될지는 아직 알 수 없다”고 했다.

송기영 기자(rckye@chosunbiz.com)

<저작권자 ⓒ ChosunBiz.com, 무단전재 및 재배포 금지>
기사가 속한 카테고리는 언론사가 분류합니다.
언론사는 한 기사를 두 개 이상의 카테고리로 분류할 수 있습니다.