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하이브리드 리튬메탈 배터리
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하이브리드 리튬메탈 배터리는 미국의 전기차용 배터리 개발 기업 솔리드에너지시스템(SES)이 2021년 11월 3~4일 미국과 한국, 중국에서 잇따라 '배터리 월드'라는 온라인 행사에서 선보인 차세대 배터리이다.
개요
아폴로(Apollo)란 이름의 이 리튬메탈 배터리(107Ah)는 무게는 0.982kg이며, 에너지 밀도는 kg당 417Wh(와트시)로 kg당 300Wh(와트시) 수준인 기존 리튬이온계 배터리에 비해 에너지밀도가 약 30% 가량 높다. 현재 상용화된 리튬이온 배터리를 장착한 전기차가 1회 충전으로 약 400km 정도를 주행할 수 있다면 같은 용량의 하이브리드 리튬메탈 배터리는 약 520km 정도를 주행할 수 있다. 또한 12분 만에 90%까지 고속 충전이 가능하다.
솔리드에너지시스템(SES)이 선보인 하이브리드 리튬메탈 배터리는 현재 상용화되어 있는 리튬이온 배터리와 많은 완성차 회사 및 배터리 업체들이 개발에 몰두하고 있는 전고체 배터리의 장점만 모은 하이브리드 배터리이다.
아폴로는 관통, 과충전, 단락, 온도 등 안전성과 관련해 외부 검증도 통과했다. 치차오 후(Qichao Hu) SES 최고경영자(CEO)는 "광범위한 온도와 전력 밀도 범위에서 비슷한 수준의 높은 에너지 밀도를 제공한다"고 소개했다. 고온과 저온, 고속과 저속 주행 때 원활하게 작동한다는 의미다.
아폴로의 비결은 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 '고농도 염중용매'로 바꾸고, 흑연 또는 실리콘이 들어가는 음극재에 리튬메탈을 넣은 데 있다. 전해질을 100% 고체로 바꾼 순수 전고체 리튬메탈 배터리의 전 단계 수준이라는 평가다.
후 CEO는 "전고체 리튬메탈 배터리는 에너지 밀도가 높지만 제조 과정이 매우 까다롭다"며 "아폴로는 리튬메탈의 높은 에너지 밀도와 리튬이온의 높은 양산성을 결합한 것"이라고 설명했다. 리튬메탈의 경우 분리막을 훼손하는 덴드라이트가 생성되는 난제를 음극 보호 코팅, 고농도 전해액, 인공지능(AI) 기반 안전 소프트웨어로 해결했다는 설명이다.
- 현대차·SK, 기술개발 지원과 사업협력
SES는 이날 영상에서 아폴로를 적용한 현대차의 고카트가 실제로 달리는 모습을 공개했다. 2022엔 실제 차량에 적용되는 A샘플을 생산해 현대차에 탑재하겠다는 계획이다. 한국에 시범생산 라인을 설치하겠다는 계획도 밝혔다. 2025년 상용화를 목표로 중국 상하이 자딩구에 건설 중인 리튬메탈 배터리 생산공장도 선보였다. 2023년 완공 예정이며 연간 1GWh의 리튬메탈 배터리를 생산할 수 있다는 설명이다.
SES는 국내에서 현대차·기아, SK㈜, LG테크놀로지벤처스 등에서 투자를 받았다. 해외에선 GM, 중국 지리자동차와 상하이자동차 등이 투자한 기업이다.
배경
자동차 업계는 한 세기 만에 최대 변혁기를 겪고 있다. 자동차는 가솔린에서 지속 가능한 청정에너지를 사용하는 전기차(EV)로 전환되고 있다.
배터리 기술은 대규모 전동화의 핵심이다. 역사적으로 배터리의 에너지 밀도는 30~40년마다 약 2배씩 높아졌다. 배터리 기술도 마치 '무어의 법칙'처럼 납산(Lead Acid), 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈수소(NiMH), 리튬이온 흑연, 실리콘 등이 그래왔고, 이제는 리튬메탈(Li-Metal)이 그 다음 주자이다.
리튬은 자연에서 찾을 수 있는 가장 가벼운 금속으로 주기율표에서 원자번호 3번이다. 리튬은 전기차 배터리, 특히 전기차의 휴대용 에너지원으로서 가장 완벽한 물질이다.
일반적인 파우치형 배터리는 양극, 음극, 분리막이 보통 30~40장씩 쌓여 있다. 일반적인 리튬이온 배터리의 경우, 음극은 주로 흑연 또는 실리콘의 한 종류이며 양극은 하이니켈인 NCM(니켈·코발트·망간), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 또는 인산철(FePo₄)이다. 그리고 폴리머 분리막이 있다. 전지 전체는 유동적인 가연성 액체 전해질로 가득 채워져 있어, 그리 안전하지 않으며 에너지 밀도가 낮다. 하지만 리튬이온 배터리는 뛰어난 제조가능성(양산성)이라는 장점이 있다. 실제로 오늘날 전 세계적으로 시간 당 수백 기가와트(GWh)의 리튬이온 배터리가 생산되고 있다.
전고체 리튬메탈 배터리는 흑연 음극을 리튬메탈 음극으로 교체해 에너지 밀도가 확실히 더 높지만, 전고체 분리막과 양극은 제조 공정이 매우 까다로워 다층 셀 개발과 같은 아주 기본적인 것조차 만들어내기 어렵다.
이에, SES는 리튬이온 배터리와 전고체 리튬메탈 배터리의 장점 만을 취하고자 했다. 바로 리튬메탈의 높은 에너지 밀도와 리튬이온의 높은 제조가능성이다. 이것이 SES 하이브리드 리튬메탈이다.
구조
하이브리드 리튬메탈 배터리는 음극에 리튬메탈이 들어간다. 리튬은 가벼워 무게와 부피를 줄일 수 있다. 리튬메탈 배터리는 전해질을 고체로 쓰기도 하지만, SES처럼 고농도 겔 타입도 있다. 여기엔 분리막도 들어간다. 또 양극은 지금 쓰이는 '하이 니켈'이나 LFP(리튬인산철)를 쓸 수 있다. 그래서 SES의 배터리는 지금 쓰이는 리튬이온 배터리와 60% 정도 유사하다. 이런 점에서 양산에 가까운 차세대 배터리다. 또 SES가 이번에 제조한 아폴로는 고농도 솔벤트 염재를 사용해 더 안전하며, AI 기반 소프트웨어를 통해 배터리의 상태를 모니터링 할 수 있는 기술도 적용했다.
아폴로 하이브리드 이차전지의 안전성
하이브리드 리튬메탈 배터리는 다양한 온도와 전력에서도 전례 없는 수준의 에너지밀도를 보여 완성차업체가 요구하는 안전성·주행거리·비용 절감·성능에 가장 적합하다는 것이 SES 측의 설명이다.
하이브리드 리튬메탈 배터리는 액체 전해질인 리튬이온 배터리에 비해 에너지밀도가 높고, 에너지밀도가 높지만 개발이 더딘 전고체 배터리에 비해 상용화에 앞서있다.
안전성과 관련해선 자체 개발한 인공지능(AI) 기반 디지털 트윈 소프트웨어 '아바타'(Avatar)로 사고가 발생하기 전에 배터리 상태를 미리 감지하고 경고를 보내 안전 관리하겠다는 방침이다.
참고자료
- 〈하이브리드 리튬메탈 배터리〉, 《한경 경제용어사전》
- 윤범진 기자, 〈SES, 107Ah 리튬메탈 배터리 Apollo〉, Automotive Electronics Magazine, 2021-11
- 김영주 기자, 〈美SES "한번에 700㎞ 주행 차세대 배터리, 韓서 생산"〉, 《중앙일보》, 2021-11-04
- 오로라 기자, 〈현대·SK 투자한 美 SES, 첫 100Ah+ 리튬메탈 배터리 공개…'꿈의 배터리’ 현실되나〉, 《조선일보》, 2021-11-04
- 이균진 기자, 〈SES "2025년 하이브리드 리튬메탈배터리 상용화…AI로 사고 예방"〉, 《파이낸셜뉴스》, 2021-07-21
- 원성열 기자, 〈현대차·SK가 투자한 美 ‘SES’, 차세대 배터리 ‘아폴로’ 공개〉, 《스포츠동아》, 2021-11-10
- 김민정 기자, 〈美 SES 내놓은 '리튬메탈' 배터리, '게임체인저' 될까?...12분 충전 800km 주행〉, 《ESG경제》, 2021-11-05
같이 보기
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