퀀텀스케이프

퀀텀스케이프(QuantumScape)

퀀텀스케이프(QuantumScape)

자그딥 싱(Jagdeep Singh) 퀀텀스케이프 창시자 겸 CEO

퀀텀스케이프(QuantumScape)는 2010년 미국에 설립되었으며 전기자동차에 사용되는 리튬 금속 전고체배터리의 연구 개발 회사이다. 본사는 캘리포니아 산호세에 있고 상용 전고체배터리를 시장에 빨리 출시하는 것을 목표로 하며 독일의 자동차 회사 폭스바겐과 마이크로소프트(Microsoft)사의 창업자인 빌게이츠의 투자를 받았다. 회사는 200여 개 배터리 관련 특허를 보유하고 있으며 설립자 및 CEO는 자그딥 싱(Jagdeep Singh)이고 직원은 200여 명이다.

개요

퀀텀스케이프는 2010년 5월 14일 는 자그딥 싱과 스탠포드대학 교수인 프리츠 프린츠(Fritz Prinz)가 공동으로 설립하였으며 2012년 폭스바겐과 제휴하였다. 퀀텀스케이프는 2020년 11월 기업인수목적회사인 켄싱턴 캐피털 어퀴지션(Kensington Capital Acquisition)과 합병을 통해 뉴욕증권거래소에 우회 상장되었다. 2021년 2월 퀀텀스케이프는 캘리포니아에 파일럿 생산라인 QS-0을 건설하고 전고체배터리 샘플 생산, 대량 생산 시스템 개발 및 테스트 등을 수행하기로 하였다. 퀀텀스케이프는 2021년 5월 17일 폭스바겐과 함께 독일 북부 공업도시인 잘츠기터에 투자하여 배터리 생산량이 1GWh 공장을 설립하기로 하였으며 퀀텀스케이프는 2025년 배터리 양산을 시작할 예정이다.

퀀텀스케이프는 2020년 12월 처음으로 프로토 타입 셀의 성능 데이트를 발표했다. 리튬 이온 전지에 비해 전기 자동차의 항속거리가 최대 80%까지 높고 파우치 셀로 발표 된 결과에 따르면 퀀텀스케이프의 배터리는 15분 안에 80% 용량까지 빠르게 충전할 수 있다. 800회 충방전 후 80% 이상의 배터리 용량이 사용 가능하다는 것도 포함됐다. 전고체배터리는 내화성이 뛰어나며 영하 30도의 낮은 온도에서도 성능이 크게 저하되지 않고 광범위한 온도 연속체에서 작동하는 것으로 알려져 있다. 퀀텀스케이프는 높은 에너지 밀도, 빠른 충전 기능 및 긴 서비스 수명부터 안전 및 실제 작동 온도에 이르기까지 모든 측면이 보장되는 방식으로 10년간의 개발 작업을 통해 리튬 금속 고체 배터리를 최적화하는 데 성공했다. 지금까지 낮은 사이클 안정성은 고체 배터리의 주요 약점으로 간주됐다. 퀀텀스케이프 기술의 핵심은 세라믹 분리기이며 이를 정확히 해결해야 한다고 한다. 전고체배터리에는 양극이 없으며 배터리가 충전되는 즉시 순수 리튬 금속으로 형성된다.

전고체배터리는 내부의 액체 전해질을 황화물, 산화물 등 고체로 대체한 배터리이며 안전성, 수명 등의 측면에서 기존 배터리보다 뛰어나며 고체 상태 전해질을 사용해 전해질 누액으로 위한 발열, 화재 위험이 없고 에너지 밀도도 높아 1회 충전으로 800km이상 주행할 수 있다. 전형적인 액체 용액 대신 고체 전해질을 사용하면 고체 상태의 배터리는 기존 리튬이온 전지보다 무게와 부피에 비해 상당히 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 전기 자동차의 가혹한 조건, 즉 높은 충전 및 방전율, 긴 수명, 온도 및 안전 문제에 견딜 수 있는 배터리를 만드는 것이 어렵다는 것이 입증되고 있다. 퀀텀스케이프는 제조 과정에서는 형성되지 않지만 배터리가 충전될 때 전류 컬렉터 주변에 형성되는 리튬 금속 애노드를 사용한 새로운 설계로 문제를 해결했다고 한다. 고체 상태의 세퍼레이터에 덴드라이트 형성에 강하게 저항하는 고체 세라믹 소재를 사용하는 또 다른 핵심적인 기술 개발 덕분에 금속 침전물이 하나의 전극에 너무 많이 쌓여서 스파이크를 형성하고 세퍼레이터를 뚫을 때 배터리 소모를 일으키기도 하고 때로는 불이 붙기도 하는 문제를 해결했다. 에너지 밀도도 우수하다고 한다. 부피로 환산하면 새 배터리는 기존 테슬라 모델 3 배터리보다 4배가량 많은 L당 1KWh를 저장할 수 있다. 퀀텀스케이프 배터리는 초고속으로 충전되며, 충분히 큰 용량의 전력을 사용할 수 있다고 가정할 때 15분 안에 0-80% 충전이 가능하다. 다소 높은 30°C에서 1C(1시간 내 완전 충전, 1시간 내 완전 방전)로 계속 충전 및 방전하는 1단 파우치 셀의 수명 주기도 800 사이클 이후 용량의 80% 이상을 유지하며 매우 강하다.

주요 제품

퀀텀스케이프 전고체배터리

리튬 금속 전고체배터리

리튬 금속 전고체배터리는 기존 리튬 이온 배터리에 사용되는 폴리머 분리막을 고체 분리막으로 대체한 배터리이다. 분리막을 교체하면 기존의 리튬 이온 배터리에 사용되는 탄소 또는 실리콘 음극을 리튬 금속 음극으로 교체할 수 있으며 리튬 금속 양극은 기존 양극보다 에너지 밀도가 높아 배터리가 동일한 부피에 더 많은 양의 에너지를 저장할 수 있다. 일부 전고체배터리 설계는 과량의 리튬을 사용하여 양극을 형성하지만 퀀텀스케이프 설계는 배터리가 방전된 상태에서 양극 없이 제조되고 양극이 첫 번째 충전 시 제자리에서 형성된다는 점에서 양극이 없는 설계이다. 퀀텀스케이프는 세라믹 분리막을 사용하여 높은 에너지 밀도 빠른 충전 및 긴 수명을 가능하게 하였으며 세라믹 자체는 불연성으로 기존의 폴리머 분리막보다 안전하다.

• 특징
  • 에너지 : 흑연, 실리콘 양극 재료를 제거하여 체적 및 중량 에너지 밀도를 크게 증가시켰다.
  • 고속 충전 : 양극 재료에서 리튬 확산 병목 현상을 제거하여 15분 미만의 빠른 충전(0~80%)을 가능하게 하였다.
  • 수명 : 양극 인터페이스에서 용량 손실을 제거하여 수명을 늘렸다.
  • 안전 : 분리막이 없어 전고체배터리는 가연성 및 불연성으로 화재 위험이 없고 배터리 수명이 늘어났다.
  • 비용 : 양극 호스트 재료 및 제조 비용을 제거하여 제조 단가를 낮췄다.

현황

폭스바겐이 투자한 전고체 배터리 개발사인 퀀텀스케이프(QuantumScape)가 전고체배터리 양산을 위한 준비에 나섰다. 2021년 5월 17일 전기차 전문 매체 "인사이드EVS"는 퀀텀스케이프가 독일 폭스바겐과 함께 독일 현지에 전고체배터리 생산 공장 설립을 준비하고 있다고 전했다. 양사는 14일 합작회사 설립을 발표한 후 전고체배터리 생산 라인을 연말까지 확보할 계획이다. 3월 퀀텀스케이프는 폭스바겐으로부터 추가로 1억 달러의 투자금을 확보한 바 있다. 공장 설립 후보지는 독일 북부 공업도시인 잘츠기터로 알려졌다. 잘츠기터는 폭스바겐 자동차 공장과 배터리 재활용 공장이 있는 지역으로 양사의 협업을 손쉽게 확대할 수 있다는 장점이 있다. 퀀텀 스케이프는 독일 공장 설립을 통해 전기차용 전고체배터리 양산에 본격적으로 들어간다는 방침이다. 배터리 생산량은 1GWh 규모로, 전기차 20만대 가량 만들 수 있는 규모다. 향후 폭스바겐과 협력을 통해 20GWh까지 늘릴 계획이다. 그러나 구체적인 양산 일정은 공개하지 않았다.

참고자료

• 퀀텀스케이프 공식 홈페이지 - https://www.quantumscape.com/
• "QuantumScape", wikipedia
• 답파, 〈전고체 전지 퀀텀스케이프(QuantumScape), 배터리 개발, 생산시설 확충을 위한 주식 발행〉, 《네이버 블로그》, 2021-03-24
• 답파, 〈퀀텀스케이프(QuantumScape)의 고속 충전, 고에너지 밀도 리튬금속 전지〉, 《네이버 블로그》, 2020-12-13
• 최민경, 〈'꿈의 배터리' 전고체 열공하는 폭스바겐·토요타, 韓은 여유…왜〉, 《머니투데이》, 2021-04-19
• 글로벌오토뉴스, 〈미 퀀텀스케이프, 전고체 배터리 개발 위해 1,300만주 신주 발행〉, 《다나와 자동차》, 2021-03-29
• 추현우, 〈퀀텀스케이프, 전고체 배터리 양산 나서…독일 공장 설립〉, 《디지털투데이》, 2021-05-18
• "FAQs", QuantumScape

같이 보기

• 전고체배터리
• 폭스바겐
• 빌게이츠

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