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전기차 기술이 비약적으로 발전하고 있지만 아직 갈 길이 멀다. 테슬라초기 대표 차량인 모델 S,X 조차도 2010년대 주로 쓰였던 18650 배터리 셀 형식을 그대로 사용하고 있을 정도다. 전기차 보급이 늘면서 배터리 시장은 새로운 전환점을 맞이할 준비를 하고 있다.
기술 혁신이 빠르게 진행되고 있으며 그 중심에는 전고체 배터리(Solid-State Battery, SSB)가 있다.차세대 배터리 기술발전에는 두 가지 접근법이 있다. 기존 리튬이온 배터리를 개선해 성능을 극대화하는 방법과 완전히 새로운 형태의 배터리를 개발하는 것이다.
팩토리얼(Factorial), 퀀텀스케이프(QuantumScape), 그룹14(Group14)와 같은 배터리 전문 기업들은 차별화한 기술로 경쟁에 참여하고 있다. 이들 대부분은 주요 자동차 제조사와 협력 관계를 맺고 있다. 신기술이 조만간 상용화된다면 머지않아 소비자들은 혁신적인 주행거리를 지닌 놀라운 전기차를 도로에서 만나게 될 것으로 기대된다.
팩토리얼과 퀀텀스케이프는 전고체 배터리 개발을 선도하고 있다. 전고체 배터리는 전통적인 리튬이온 배터리의 액체 전해질을 고체화한 것이 핵심이다. 고체 전해질을 사용하면 배터리의 주요 성능을 좌우하는 음극 성능을 극대화할 수 있다. 현재 대부분리튬이온 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하지만성능을 보면한계에 도달했다. 더 높은 에너지 밀도를 확보하기 위해서는 리튬 금속을 음극 소재로 사용하는 것이 이상적이다.
리튬 음극가능성은 꽤 오래전부터 대두됐지만 액체 전해질 환경에서의 불안정성 때문에 상용화되지 못했다. 초기 실험에서는 '덴드라이트'라 불리는 결정이 음극 표면에 자라 배터리 내 단락을 일으켰고, 그 결과 폭발 사고가 잦았다. 이를 해결하기 위해 고체 전해질이 도입되면서 전고체 배터리 개발이 본격화됐다.
팩토리얼창립자 시유 황 박사는 100Ah 용량의 고체 배터리 셀이 25번의 충전 사이클을 달성한 것이 큰 진전이었다고 제시한다. 현재 팩토리얼은 스텔란티스, 메르세데스 벤츠 등과 협력해 수천 개의 전고체 배터리를 테스트카에 장착해 시험하고 있다. 이배터리는 600회 이상의 충전 사이클을 기록했다.
팩토리얼 배터리는 기존 리튬이온 배터리와 유사한 낮은 방전율개발에 성공했다. 20%에서 80%까지충전이 15분 이내에 완료되는 신기술도 접목했다. 팩토리얼 전고체 배터리는 기존 리튬이온 대비 40% 가볍고 부피는 33% 줄어든 것이 강점이다.
캘리포니아에 본사를 둔 퀀텀스케이프는 전고체 배터리 산업화에서 또 다른 경쟁자다. 퀀텀스케이프는 독자적인 세라믹 분리막 기술을 내세운다. 이 세라믹 분리막은 기존발화 위험을 대폭 줄이고 전해질 역할을 동시에 수행해 효율성을 극대화한다.
또한 ‘무음극’ 설계를 채택해 리튬 금속이 충전과 방전 시마다 양극에서 분리막 반대편의 집전체로 이동하는 독특한 구조를 취하고 있다. 이설계는 셀이 물리적으로 팽창과 수축을 반복하면서도 외부 크기를 일정하게 유지하게 하는 장점이 뚜렸하다. 이 덕분에 셀이 물리적으로 팽창과 수축을 반복하면서도 외부 크기를 일정하게 유지할 수 있다.
그룹14는 전고체 배터리 대신 고실리콘 음극을 사용하는 기존 리튬이온 배터리의 에너지 밀도와 전력 밀도를 동시에 개선하고 있다. 고실리콘 음극 소재를 전기차 배터리에 곧 도입할 예정이며 현재 이 소재를 소비자 가전 제품용 배터리에 이미 적용하고 있다.
그룹14의 실리콘 음극은 기존 흑연보다 에너지 밀도가 높아 전기차의 주행 거리와 충전 속도를 개선하는 효과가 있다. 그룹14의 파트너사인 스토어닷(StoreDot)은 10분 이내 완전 충전을 실현한 바 있다. 이속도는 기존 리튬이온 배터리에서 달성하기 어려운 수준이다. 또 다른 파트너사인 모리셀(Molicel)은 그룹14의 소재를 사용한 배터리로 0%에서 100% 충전까지 90초 만에 완료할 수 있다고 발표했다.
전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리에 비해 충전 주기가 짧아진다는 것이 또다른 걸림돌이다. 덴드라이트가 여전히 전고체 배터리 내부에 형성되기 때문이다. 충전 주기 수명을 향상시키기 위한 추가 연구가 필요하지만 전고체 배터리는 이미 연구실 단계를 넘어 주요 자동차 제조사들에 의해 상용화 테스트를 진행 중이다.
전기차 배터리 기술 발전은 한 번에 이루어지지 않는다. 현재 전기차 배터리 발전은 전압을 높이고 배터리 구조를 개선하는 수준에 머물러 있지만 전고체 배터리가 본격적으로 상용화되면 전기차의 성능 혁신이 가속화될 것으로 보인다. 전고체 배터리는 전기차 배터리 기술의 한계를 넘어설 새로운 시대를 예고하는 혁신 기술로 자리를 잡았다.
김태원 에디터 tw.kim@carguy.kr
