반고체 배터리

중국 CATL의 컨덴스드 배터리

반고체 배터리(semi solid-state battery)는 꿈의 배터리로 불리는 전고체 배터리로 가기 위한 중간 형태의 제품인데 액체에 고체를 섞어 젤 형태로 만들거나 전극에 닿는 부분에 말랑한 물질을 도입해 접촉력을 높인 것을 말한다. 중국 CATL(宁德时代)은 전해질을 응축했다고 해서 콘덴스드 배터리(Condensed Battery)라고 한다.

리튬이온의 이동 통로인 전해질을 액체에서 고체로 바꾼 전고체 배터리는 기존 리튬이온배터리의 화재 위험성을 현저히 줄이는 차세대 기술로 알려져 있지만, 기존 제품만큼의 에너지효율을 확보하지 못해 아직 상용화가 되지 못하고 있다. 업계에서는 이 같은 에너지효율 문제를 개선하는 방안 중 하나로 젤 형태의 반고체 배터리의 시장 가능성에 주목하고 있다.

개요

전고체 배터리는 크게 3가지 계열로 나뉜다. 황화물계, 산화물계, 고분자계 등이다. 황화물계는 높은 이온전도, 양산 적합성 등이 강점이지만 수분에 취약하고 기술장벽이 높고 비싼 단가 등이 단점이다. 산화물계는 안정성에 우위가 있지만 연성이 부족해 전해질과 전극 간 접촉이 쉽지 않다. 고분자계는 기존 양산 공정을 적용할 수 있는 장점이 있고 상용화 가능성도 높지만 이온전도가 낮은 부분이 치명적이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 주목받고 있는 배터리 형태가 바로 반고체 배터리(semi solid-state battery)다. 개념은 어렵지 않다. 일반 리튬이온 배터리의 전해질이 액체, 전고체 배터리의 전해질이 고체라면 반고체 배터리는 전해질이 중간 형태인 젤의 형태를 보인다. 전해질 종류는 여러 가지다. 젤을 사용하거나 점토를 사용하기도 하며 수지 전해질을 쓰기도 한다.

반고체 배터리는 일반 전해액 배터리와 전고체 배터리의 장점을 두루 갖는다. 먼저 에너지 밀도를 현재의 전해액 배터리 대비 크게 높일 수 있다. 일반 리튬-이온 배터리가 넘을 수 없었던 300Wh/kg의 에너지 밀도를 단숨에 뛰어넘을 뿐만 아니라 전고체 배터리 수준까지 넘보는 것도 가능하다. CATL이 개발한 초고밀도 배터리는 kg당 에너지 밀도가 500Wh에 달해 전고체 수준을 기록했다.

충방전 내구 성능도 뛰어나다. 일본의 배터리 이노베이션 허브(Battery Innovation Hub)가 개발한 반고체 배터리는 리튬-이온 배터리 수명의 2배에 이른다. 일본 가이시 기업은 세라믹 전극을 사용해 스마트 기기용 반고체 배터리인 에너세라(EnerCera)를 개발했다. 에너세라는 일반적인 리튬이온 배터리의 세 배인 9000회 재충전이 가능하다.

전고체 배터리가 가진 안전 성능도 반고체 배터리에서 기대할 수 있다. 전고체 배터리가 전해질 자체가 형태를 유지하면서 안전성을 가진다면 반고체 배터리는 활성 물질을 둘러싸고 있는 젤 형태의 전해질이 배터리 폭발을 막아준다. 또, 리튬에서 생성돼 분리막을 손상시키는 덴드라이트 억제력도 갖는다.

제조비용까지 절약할 수 있다. 액체 대신 젤 혹은 점토를 사용하기 때문에 전극을 건조하고 응고시키는 공정이 필요 없어졌다. 미국 24M 테크놀로지(24M Technologies)에 따르면 반고체 배터리는 제조비용을 최대 40%까지 절감시키는 것이 가능하다. 제조부터 폐기까지 탄소 발자국과 조달 비용은 사실상 절반 수준으로 줄일 수 있다.

개발현황

간펑리튬

간펑리튬(赣锋锂业)이 개발한 반고체 배터리는 첨단 소재 시스템과 반도체 기술을 바탕으로 배터리의 에너지 밀도를 260Wh/kg으로 대폭 향상시켰다. 아울러 이 회사는 이미 4GWh 전고체 배터리 생산능력 건설에 착수한 것으로 알려졌다. 중국 충칭에 있는 20GWh 규모의 신형 리튬 배터리 기술 산업 단지도 건설 중이다.

동펑자동차(东风汽车)가 2022년 1월 중국의 간펑리튬(赣锋锂业)의 반고체 배터리를 탑재한 동펑 E70 50대에 대한 시범 운영을 실시했다. 이를 바탕으로 2022년 12월 15일 동펑자동차의 전기차 브랜드 란투(岚图)에서 82kWh 용량의 반고체 배터리를 탑재한 추이광(追光)을 출시한 후, 2023년 1월 13일 양산을 시작했다. 공식적으로 세계 최초의 양산형 반고체 배터리 승용차 타이틀을 갖게 됐다.

세레스의 전기 스포츠유틸리티차(SUV) 세레스5(SERES-5)에 간펑리튬의 자회사 간펑리디안(赣锋锂电)이 개발한 삼원계 고체·액체 혼합 배터리를 탑재한다.

웨이란신에너지

웨이란신에너지(卫蓝新能源)가 개발한 반고체 배터리는 360Wh/kg 에너지 밀도를 갖고 있다. 10분 충전으로 400km 주행이 가능한 효율성도 겸비했다. 한국에도 잘 알려진 니오(蔚来) 브랜드의 전기차 ET7가 웨이란신에너지가 개발한 반고체 배터리를 달고 2023년 상반기 중국 시장에서 출시될 예정이다.

니오자동차(Nio)는 자사의 차세대 배터리는 고체 전해질이 아닌 젤 형태의 하이브리드 전해질을 사용한다고 발표하였다. 이로 인해 니오(Nio)의 차세대 배터리는 반고체 배터리로 불리게 되었다. 하이브리드 전해질은 유기물(액체처럼 유연한 고분자)과 무기물(고체)을 섞어서 만들어진다. 이로 인해 안전하면서도 높은 전도도를 지니고 있다. 개별 소재만으로 만들었을 때 나타나는 단점을 극복하면서도 우수한 성능을 확보할 수 있게 되는 것이다. Nio의 주장에 의하면 하이브리드 전해질을 탑재한 Nio의 반고체 배터리의 에너지 밀도는 360Wh/kg이다. 비록 전고체 배터리 수준은 아니지만 삼원계 및 LFP 기반의 리튬이온 배터리를 능가하는 수준이다.

궈쉬안

궈쉬안(国轩高科)이 개발한 반고체 배터리는 360Wh/kg 밀도를 갖는다. 이 배터리를 탑재한 신차는 가오흐어 자동차(高合汽车)의 파이픽스(HiPhiX)로, 2023년 양산이 예고됐다. 이 차는 1회 충전으로 1000km 주행이 가능하며 정지 상태에서 시속 100km까지 3.9초 만에 가속할 수 있다.

CATL

CATL(닝더스다이)은 2023년 4월 상하이에서 열린 국제 모터쇼에서 전기 항공기용 고밀도 배터리인 '컨덴스드(condensed) 배터리'를 선보였다. 컨덴스드는 우리말로 '응축된' 정도로 해석된다. CATL은 컨덴스드 배터리가 최첨단 응축형 배터리로 에너지 밀도가 ㎏당 500Wh에 달한다고 밝혔다.

'꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리의 이론적 최대 에너지 밀도는 ㎏당 495Wh다. CATL의 주장대로라면 전고체 배터리에 맞먹는 수준의 에너지 밀도를 구현해낸 것이다. 기존 리튬이온 배터리의 에너지 밀도 한계는 ㎏당 255Wh 수준인데 그 두 배에 가까운 용량이다.

컨덴스드 배터리는 전고체 배터리의 중간 단계인 '반고체 배터리' 형태인 것으로 알려졌다. CATL은 해당 배터리를 전기 항공기용 배터리라고 소개했다. 배터리의 소재는 구체적으로 밝히지 않았다.

플레이어

플레이어는 노르웨이 배터리 제조 업체다. 리튬이온 배터리, 반고체 배터리를 모두 제조한다. 노르웨이 모이라나에 전기차 50만대분의 반고체 배터리를 만들 수 있는 50GWh 규모의 반고체 배터리 제조시설을 두고 있다.

플레이어는 핀란드에 신규 배터리 공장을 건설하며 노르웨이 공장과 동일한 규모로 파악된다. 플레이어가 생산한 배터리는 독일 완성차 업체 볼보를 비롯한 글로벌 완성차에 공급될 예정이다. 볼보를 시작으로 유럽·아시아 업체들과 반고체 배터리 공급을 추진한다. CATL은 연내에 전기자동차(EV)용 컨덴스드 배터리도 양산한다는 계획이다.

에너지11

에너지11은 나트륨 이온 전지 상용화를 위해 인터파크 공동 창업자인 이상규 대표가 인터파크 비즈마켓 에너지사업본부에서 분사해 창업한 기업이다. 배터리의 양극과 음극을 분리하는 분리막을 난연성 필름으로 활용하고, 여기에 액체와 고체 전해질을 섞은 겔 형태의 전해질을 바르는 나트륨 반고체 배터리를 개발했다. 3.2V 출력에 에너지 밀도는 kg당 150Wh로 값싼 리튬인산철 배터리와 성능이 비슷하고 작동 온도도 0도에서 150도까지 가능할 정도로 안정적이다.

교세라

교세라(Kyocera)는 세계 최초 반고체 배터리 양산을 시작하였다. EV용이 아닌 가정용 ESS에 사용되는 용도로 만들긴 하지만 어찌되었든 업계에서는 이러한 시도를 계속하고 있다.

미국 SES사

EV용으로 만드는 곳은 미국 솔리드에너지시스템(SES)사에서 만드는 반고체 배터리이다. 에너지밀도를 높이고 단기간에 급속충전까지 가능하며, 현재의 리튬이온 전지보다 더나은 성능을 보여주면서 각광을 받고 있다.

​현대자동차, 혼다, GM은 미국의 SES사와 합작하여 공동개발에 착수하였고 현재 A샘플 단계이다. 결국 완성차 업체들은 셀메이커의 의존도를 줄이고 본인들의 기술력을 확보하여 아웃소싱을 맡기는 방향으로 갈 확률이 높다. 배터리 개발 단계에서 A샘플은 시제품이며, B샘플은 차량에서 작동하는 엔지니어링 샘플단계, C샘플은 상용화에 가까운 배터리이다.

SES는 중국 상하이, 한국 충주에 A샘플 생산 라인을 구축하고 있고 2024년 BㆍC샘플 단계를 거쳐 2025년에는 셀 생산에 착수한다는 목표이다.

현대차그룹이 최근 주목하는 건 '반고체 배터리'로 불리는 리튬메탈 배터리이다. 지난 2021년 현대차그룹은 리튬메탈 배터리 개발 업체인 미국 솔리드에너지시스템(SES)에 1억 달러 규모의 지분 투자를 했다.

참고자료

• 김지윤 기자, 〈中 반고체 배터리 출시 ‘초읽기’…韓 비장의 무기는?〉, 《헤럴드경제》, 2022-01-20
• 오소영 기자, 〈中 '반고체 배터리 탑재' 전기차 출시 러시〉, 《더구루》, 2023-02-19
• 강문정 기자, 〈달라진 中 배터리 위상…'전기 항공기용 배터리'까지 개발〉, 《이투데이》, 2023-05-28
• 김선웅 기자, 〈배터리 기술, 이제는 반고체 배터리로 향한다?〉, 《오토뷰》, 2023-04-25
• 조승한 기자, 〈리튬이온배터리 대체할 나트륨-반고체 배터리가 온다〉, 《동아사이언스》, 2021-12-06

• 노훈주 기자, 〈반고체 배터리, 전고체 배터리가 게임체인저인가?〉, 《네이버 블로그》, 2023-02-27
• 쮸, 〈경제 공부 -반고체 배터리〉, 《네이버 블로그》, 2023-05-26

같이 보기

• 리튬이온배터리
• 전고체배터리
• 전해질

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