전고체·리튬황 등 차세대 배터리 기술 개발 동향 및 이슈 등 다뤄

배터리 관련 기업·연구원 등 전문가 연사

 

19세기 초, 스코틀랜드 사업가 로버트 앤더슨은 원유전기마차를 발명했다. 이는 현대 전기자동차의 시초가 됐다. 이후 석유가 본격 시추되면서 내연기관 자동차의 기술이 급속하게 발전해 전기자동차는 잊혀지고 내연기관 자동차의 시대가 시작됐다.

 

1970년대 석유파동과 환경오염 문제가 부각되고, 1990년대 세계 각국의 배출가스 규제가 강화되면서 전기차동차가 내연기관 자동차의 대안으로 채택돼 개발이 본격화됐다. 이후 전 세계에 전기차 돌풍이 시작됐다. 2015년부터 전기차 수요가 급격하게 증가하면서 관련 산업은 급격하게 성장하기 시작했다.

 

 

현재 많은 국가가 전기차 인프라에 공공 자금을 조달하고 있고, 기업은 핵심 기술개발에 여념없다. 여전히 전 세계적인 전기차 돌풍이 휘몰아치는 가운데, 전기차 핵심 동력인 배터리 기술은 어디까지 왔고 앞으로 어떤 미래가 기다리고 있을까?

 

이달 26일 서울 상암동 중소기업DMC타워에서 배터리 분야 전문가가 연사로 참여하는 ‘2023 K-배터리 산업전망 컨퍼런스’ 2일차 프로그램이 진행됐다.

 

“중국·유럽보다 북미에 대한 투자가 이뤄져야 할 것”

 

정원석 하이투자증권 연구위원은 “미·중 패권전쟁, 미국 인플레이션 감축법(이하 IRA) 등이 국내 배터리 기업에게 기회 요인으로 작용하고 있다”고 분석했다. 자국 업체 위주의 시장인 중국, 중국 업체와 경쟁 체제가 구축될 리스크가 존재하는 유럽 시장과 달리, 북미 시장은 국내 기업이 효율적 투자를 통해 잠재력과 경쟁력을 발휘할 수 있다는 게 그 이유다.

 

정 위원은 각국의 전기차 보조금 제한 정책으로 작년부터 다소 소강상태인 전기차 침투율이 내년부터 반전할 것이라고 예상했다. 해당 배경에서 IRA 등을 변수로 들어, 완성차 업체는 북미 시장에서 활용될 배터리셀·소재 등 서플라이 체인을 다시 고민하게 될 것이라고 전망했다. 여기서 중국·일본 등 기업보다 우리 기업이 상대적으로 경쟁력을 발휘할 것이라는 예측이다.

 

이어 정원석 연구위원은 배터리 용량 혁신이 시장 진입 및 성공에 관건이라고 내다봤다. 북미 지역의 전기차 침투율이 급속도로 증가할 것이라고 예상하면서 배터리 수요 또한 커질 것이라는 게 근거다.

 

 

 

특히, 미국에 진출한 우리나라 배터리 기업 입장에서 AMPC(첨단 제조 생산 세액공제) 보조금이 상당 부분 긍정적 영향을 미칠 것이라고 말했다. 정 위원은 “업계에서는 보조금 상한선이 없을 것이라는 전망이 지배적이지만, 혹시 모를 상황은 대비해야 한다”고 경계했다. 이어 “해당 보조금이 배터리 기업의 의사결정에 상당한 부분을 차지하는 사안이니 만큼, 보조금이 확정되면 우리나라 배터리 기업은 북미 시장에서 상당한 성장을 기대할 수 있다”고 전망했다.

 

정 위원은 소재·원자재 등에 대해 이어서 언급했다. 그는 “북미 시장에서 양·음극재 수요는 대폭 늘어날 것이 명확하다”며 “중국의 원자재 독점을 해결하기 위한 탈중국화 방안이 마련돼야 한다”고 조언다. 공급다변화가 필수로 요구된다는 것으로 풀이된다.

 

또 셀최적화·건식공정 등의 필요성도 강조했다. 그는 “특히 건식공정은 공정 효율화·제조원가 하락·차량 가격 하락·수요 증가 등 이점이 확실하지만 기술적 한계 또한 명확하다”고 분석했다. 이어 “아직 초기개발 단계인 건식공정이 배터리 혁신의 키“라면서 ”기술이 실현되기까지 3~4년은 소요될 것으로 예상된다“고 부연했다.

 

에너지 밀도·소비자 접근성·안전성의 삼박자

 

배터리 기술이 향상되면서 높은 출력, 단축된 충전시간, 활용성 확장 등 요구가 지속되고 있다. 산업은 이제 차세대 전지를 필요로 하고 있다.

 

전고체 배터리는 모든 요소가 고체로 구성된 전지로, 유기 액체 전해액의 단점을 극복한 고체 전해질을 포함한다. 높은 에너지 밀도·충전 시간 단축·전지 안전성·신뢰성 향상·사이클 특성 향상 등이 장점이라 평가받는 차세대 전지다.

 

 

김경수 한국전자기술연구원 박사는 ”차세대 전지의 요구가 높아지는 가운데, 전지기술 개발이 중요하다고 생각한다“며 ”전고체 전지가 그 해법이 될 것“이라며 발표를 시작했다.

 

그는 ”불과 6~7년 전까지만 해도 전고체 전지의 요구나 필요성이 크지 않았다“고 말했다. 이어 ”그러나 현재 전기차 배터리 방향성은 에너지 밀도를 높이는 쪽으로 기울고 있다“며 현재 전고체 전지 트렌드 배경을 분석했다. 주어진 공간에 최대한 많은 에너지를 압축하는 기술의 중요성을 부각한 것이다.

 

김 박사는 전기화학 안정성·열 안정성·전기 절연성 등 고체 전해질에 요구되는 특성에 만족해야 하는 전고체 전지의 앞으로 과제를 설명했다. 그러면서 ”전고체 전지의 고에너지밀도화 실현의 전략이 필요하다“며 ”고용량 활물질 사용·에너지 저장 소재 비율 높이기·부가 소재 비율 낮추기 등이 선행돼야 한다“고 강조했다.

 

음극재 기술이 각광받을 것...실리콘 음극재 기술개발이 관건

 

지난해, 삼성SDI는 수원 연구소에 전고체 배터리 파일럿 라인을 준공하고 시제품 생산을 시작하겠다고 밝혔다. 2027년부터 전고체 배터리를 본격 양산하겠다는 목표로부터 실행된 계획이다.

 

전고체 배터리는 고체로 된 전해질로 구성돼 있어, 액체 전해질에 비해 상대적으로 리튬이온을 전달해야 하는 임무에 취약하다. 이를 극복하기 위해 활물질을 제거하고 용량을 줄여야 하는데 그렇게 되면 셀의 에너지밀도가 떨어진다. 최근 고용량 음극재는 이에 대안을 제시해 배터리 에너지의 고밀도를 가능하게 하는 기술로 평가받는다. 실리콘·리튬메탈·무음극 등으로 구성된 음극이 그 주인공이다.

 

정훈기 한국과학기술연구원 박사는 이번 발표에서 실리콘 기반의 전고체 배터리용 음극 소재에 대해 강조했다.

 

정훈기 한국과학기술연구원 박사는 음극재가 전고체 배터리의 합지밀도를 증대시킬 수 있다는 점을 부각하며, 음극재 측면에서 고용량화가 가능해야 셀의 고밀도를 이룰 수 있다고 강조했다. 그는 ”고출력보다 충전시간을 단축하는 소비자 요구에 대한 공간집약적 기술개발이 필요하다“며 ”이는 고용량 음극재가 전고체 전지에 활용돼야 실현되는 기술“이라고 말했다.

 

 

정 박사는 해당 기술이 개발되기 위해서는 실리콘 기반 전고체 배터리 음극 소재개발이 관건이라고 설명했다. 실리콘은 전압이 낮아 양극의 고전압을 흡수해 셀의 전압을 높인다고 평가했다. 또 마이크로 실리콘보다는 용량이 큰 나노 실리콘이 효율적이라고 분석했다.

 

그러나 부피팽창 등 실리콘 소재가 넘어야 할 허들이 많아 개발이 지연되고 있다고 경계했다. 이와 관련해 정 박사는 계면 활성제를 통해 부피팽창을 완화하는 사례를 소개했다. 계면 안정성을 요구하는 전고체 배터리의 특성을 반영한 솔루션이다.

 

그는 ”현재 주행거리뿐만 아니라 안전성·효율성 등을 실현하기 위한 실리콘 기반 전고체 배터리 음극 소재 개발이 지속 진행 중“이라며 ”해당 기술이 실현되면, 그동안 배터리 부피 영향으로 SUV 위주였던 전기차 시장에 더욱 확대된 세그먼트의 전기차 차량이 출시될 것“이라고 말했다.

 

헬로티 최재규 기자 |