전고체 선두 3사의 개발 현황 비교

SES, Solid power 그리고 퀀텀 스케이프의 고성능 배터리 개발 현황 

 

고성능 배터리를 생산하기 위한 경쟁이 날로 치열해지고 있습니다.

SES, 퀀텀 스케이프 및 솔리드 파워와 같은 회사들은 배터리를 좀 더 안전하고 저렴하게 만드는 동시에 셀 성능을 향상하기 위해서 노력하는 중이죠.
며칠 전 제 블로그에서도 다루었던 배터리 스타트업 'SES'는 세계에서 가장 큰 리튬-메탈 전지를 개발했다고 발표했었는데요.

여전히 프로토타입이긴 하지만 SES는 EV에 사용하기 위한 양산형 리튬-메탈배터리를 2025년까지 개발할 것으로 기대되고 있습니다.

 

리튬이온 배터리에서 음극재로 리튬금속을 사용하게 되면 더 긴 주행거리를 가능하게 하고 전지의 경량화를 보장할 수 있기 때문에 배터리 제조업체에서는 매우 관심 있어하는 분야입니다. 배터리 제조사들은 성능을 개선하려면 노력할뿐 아니라 배터리를 좀 더 안전하고 더 낮은 가격으로 만들기 위하여 노력하고 있으며, 이를 달성하기 위해 서로 다른 접근 방식을 취하고 있습니다.

리튬 배터리에는 크게 4가지 핵심 구성 요소가 있습니다. 양극과 음극 그리고 전해질과 분리막이 그것입니다.

현재 가장 대중화되어 사용되는 리튬 이온 배터리에는 액체 전해질과 흑연을 사용한 음극을 사용하고 있습니다. 특히 음극재에 대한 부분은 배터리 업체에서 개선하고자 하는 주된 요소라고 할 수 있겠습니다.

지난 30년 동안 흑연(Graphite)를 사용한 음극재는 실제로 큰 변화가 없었기 때문입니다. 반면에 지난 10년 동안 양극재는 꾸준한 연구 덕에 점진적인 개선을 경험해 왔으며, 이에 비하면 음극재는 아직까지 불모지로 평가받고 있습니다.

액체 전해질과 함께 리튬금속을 음극으로 사용할 수 있는 SES의 배터리에 대한 첫 번째 시험은 업계에서 큰 화제가 되었습니다.

액체 전해질을 리튬금속과 함께 사용하는 것은 거의 기존 제조시설을 활용하는 공정이기 때문에 매우 흥미롭다고 하겠습니다.

이는 신속한 생산라인의 확장과 높은 시장 진입력으로 이어지며 현재 제조공장에 대한 수십억 달러의 투자를 절약할 수 있다는 장점이 있습니다.

과거에는 액체전해질이 함유된 리튬금속 음극을 사용할 수 없었습니다. 리튬 음극은 배터리를 충전 및 방전할 수 있는 횟수가 낮아서 수명을 저해하고 고장을 일으키기 쉬워 배터리 화재의 원인으로 작용하기도 때문입니다. 그런데 SES는 두 가지 중요한 문제를 해결할 수 있는 마법의 소스를 발견한 것으로 보입니다. 이 기술은 전해질속에 염을 더 첨가하여 인화성의 전해질이 비인화성 재질로 변화시킬 수 있으며 또한 충전/ 방전의 사이클 수를 늘리는 데 필수적인 각 재질 레이어(Layer)들의 접착력을 우수하게 해 줄 수 있습니다. SES의 접근방식은 액체 기반 전해질을 고수함으로써 솔리드 파워나 퀀텀 스카이프의 동등 제품과는 다르다고 할 수 있겠습니다.

반면 솔리드 파워나 퀀텀 스케이프는 고성능 배터리를 만들기 위해 액체 대신 고체 전해질과 함께 리튬금속을 음극재로 사용하는 것을 목표로 하고 있습니다. 전해질을 고체로 사용할 경우 성분 사이의 반응을 제어 하기 쉽고, 화재 발생면에서도 안정적이기 때문에 퀀텀 스케이프와 솔리드 파워는 고체 전해질 조건에서 리튬금속 음극재를 사용하는 것에 초점을 맞추어 왔습니다.

솔리드 파워는 기존 제조공정과 손쉽게 통합할 수 있는 황화-리튬이라는 전해질 재료를 사용합니다.

전고체의 특성상 셀은 고체로 된 구성 요소만을 사용하므로 시스템의 수명 동안 고성능을 보장하기 위해서는 모든 레이어가 잘 접촉되도록 하는 것이 중요합니다. 솔리드 파워는 리튬-메탈 음극 배터리를 상용화하기 전 단계로 실리콘 음극재를 사용한 셀 개발을 목표로 하고 있습니다.
반면에 퀀텀 스케이프는 고체 전해질 세라믹 재료를 사용하려고 하고 있습니다. 이를 위해 새로운 제조 공정과 장비를 개발하고 있지만 이는 다루기 까다로운 리튬 금속을 사용하지 않는다는 장점이 있습니다. 대신 퀀텀 스케이프는 제조된 셀에서 리튬금속 음극재를 현장에서 형성하게 되는데 양극물질과 고체 전해질 간에 접촉을 유지하기 위해 약간의 '젤 형태'의 전해질을 추가하는 것으로 보입니다.

현재로서는 각 각의 회사의 셀 개발 성과는 상당히 유사한 수준으로 보이며 모두 더 안전하고 에너지 밀도가 높을 것으로 예상이 됩니다. 하지만 위에서 언급한 바와 같이 목표를 향한 경로는 서로 확연히 다릅니다. 물론 각각의 경로에 따라 고유한 문제점들을 해결해야 하지만 극복할 수 없을 정도로 암울해 보이지는 않습니다. 업계 측면에서도 이러한 다양한 방법을 통해 고성능의 배터리 셀을 구현하는 것은 많으면 많을수록 좋은 신호라고 하겠습니다.

 

확실한 점은 우리가 예측하고 있는 배터리의 기술발전속도 보다 좀 더 빨리 긍정적인 미래가 다가오고 있다는 점입니다.