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2024-11-22 (금)

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[신소재 신기술(113)] 美 조지아 공대, 리튬이온배터리 획기적 개선 음극재 개발

전기자동차(EV) 시장의 케즘(chasm·일시적 수요 정체) 극복 방안의 하나로 '차세대 배터리'가 거론되는 가운데 미국에서 새로운 음극 소재가 개발됐다. 조지아 공과대학은 홈페이지를 통해 하이롱 첸(Hailong Chen) 교수가 이끄는 다기관 연구팀은 리튬이온배터리(LIBs)를 획기적으로 개선할 수 있는 저렴한 새로운 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이는 전기자동차 시장과 대규모 에너지 저장 시스템을 변화시킬 가능성이 있다. 조지아공대 우드러프 기계공학부 및 재료과학·공학부 하이롱 첸 부교수는 "오랫동안 사람들은 기존 음극재보다 저렴하고 지속 가능한 대안을 찾고 있었다. 우리가 그걸 찾은 것 같다"고 말했다. 연구팀에 따르면 획기적인 소재인 삼염화철(FeCl3)은 일반적인 음극재 비용의 1~2%에 불과하지만 동일한 양의 전기를 저장할 수 있다. 음극재는 용량, 에너지 및 효율성에 영향을 미치며 배터리 성능과 수명, 경제성에 중요한 역할을 한다. 첸 교수는 "우리 음극재는 게임 체인저가 될 수 있다"며 "이는 전기차 시장 뿐만 아니라 전체 리튬 이온 배터리 시장을 크게 개선할 것"이라고 말했다. 연구 결과는 학술지 네이처 서스테너빌리티(Nature Sustainability)에 게재됐다. 1990년대 초 소니에 의해 처음 상용화된 리튬이온배터리(LIB)는 스마트폰이나 테블릿과 같은 개인용 전자제품의 폭발적인 성장을 촉발했다. 이 기술은 결국 전기자동차에 동력을 공급하는 신뢰할 수 있고 충전 가능한 고밀도 에너지원으로 발전했다. 그러나 개인용 전자 제품과 달리 전기차와 같은 대규모 에너지 사용자는 LIB 비용에 특히 민감하다. 현재 배터리는 전기차 총 비용의 50%를 차지하며, 이로 인해 이러한 청정 에너지 자동차는 내연 기관 자동차보다 더 비싸다. 더 나은 배터리 구축 구식 알카라인 배터리와 납축 배터리에 비해 리튬이온배터리는 더 작은 패키지에 더 많은 에너지를 저장하고 충전 장치에 더 오래 전원을 공급한다. 그러나 리튬이온배터리에는 코발트나 니켈과 같은 희귀 속이 포함되어 있으며 제조 비용이 높다. 지금까지 LIB용으로 네 가지 유형의 음극만 성공적으로 상용화됐다. 기존 LIB는 액체 전해질을 사용하여 에너지 저장 및 방출을 위한 리튬 이온을 운반한다. 저장할 수 있는 에너지 양에는 엄격한 제한이 있으며 누출 및 화재가 발생할 수 있다. 그러나 모든 고체리튬이온배터리는 고체 전해질을 사용하여 배터리 효율성과 안정성을 크게 높이고 더 안전하게 더 많은 에너지를 저장할 수 있도록 한다. 아직 개발 및 테스트 단계에 있는 이러한 배터리는 상당한 개선이 될 것이다. 연구팀이 개발한 FeCl3 음극, 고체 전해질 및 리튬 금속 양극을 사용하면 전체 배터리 시스템 비용이 현재 LIB의 30-40%에 불과하다. 첸 교수는 "이는 전기차를 내연 기관 자동차보다 훨씬 저렴하게 만들뿐만 아니라 새롭고 유망한 형태의 대규모 에너지 저장 장치를 제공해 전력망의 복원력을 향상시킨다"고 말했다. 이어 "또한 우리가 개발한 음극은 전기차 시장의 지속 가능성과 공급망 안정을 크게 향상시킬 것"이라고 기대했다. 음극재로 염화철(FeCl3) 주목 음극재로서의 FeCl3에 대한 첸의 관심은 고체 전해질 재료 연구에서 시작됐다. 그의 연구실은 2019년부터 기존 상용 산화물 기반 음극을 사용해 고체 배터리를 만들려고 시도했다. 결과는 좋지 않았다. 음극과 전해질 재료가 잘 맞지 않았던 것. 연구원들은 염화물 기반 음극이 염화물 전해질과 더 나은 쌍을 이루어 더 나은 배터리 성능을 제공할 수 있다는 점에 착안했다. 첸 교수는 "우리는 시도해볼 가치가 있는 후보(FeCl3)를 찾았다. 결정구조가 리튬이온 저장 및 운송에 잠재적으로 적합했기 때문이다"라고 설명했다. 현재 전기차에서 가장 많이 사용되는 음극은 산화물이며 엄청난 양의 값비싼 니켈과 코발트가 필요하다. 이는 독성이 있을 수 있으며 환경 문제를 야기할 수 있는 중금속이다. 이와 대조적으로 연구팀이 개발한 새로운 음극에는 철(Fe)과 염소(Cl)만 포함되어 있다. 이는 강철과 식용 소금에서 발견되는 풍부하고 저렴하며 널리 사용되는 원소들이다. 초기 테스트에서 FeCl3는 다른 훨씬 더 비싼 음극만큼 또는 더 나은 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 예를 들어 널리 사용되는 음극 리튬철인산염(LiFePO4, LIF)보다 작동 전압이 더 높다. 작동 전압은 배터리가 장치에 연결될 때 제공하는 전기력으로 정원에서 사용하는 호스의 수압과 유사하다. 연구팀은 이 기술이 5년 이내에 전기차에서 상업적으로 실행 가능할 수 있을 것으로 기대했다. 첸은 현재로서는 연구팀이 FeCl3와 관련 소재를 계속 연구할 것이라고 말했다. ◇ 참고: Zhantao Liu, Jue Liu, Simin Zhao, Sangni Xun, Paul Byaruhanga, Shuo Chen, Yuanzhi Tang, Ting Zhu, Hailong Chen. 「모든 고체 리튬 이온 배터리를 위한 저비용 삼염화철 음극」 Nature Sustainability.
- IT/바이오
2024-09-25
포스코그룹, 포항에 실리콘음극재 공장 준공…연산 550t 규모

포스코그룹은 산하 포스코실리콘솔루션이 지난 19일 경상북도 포항 영일만 산업단지에서 연간 생산량 550t(톤) 규모의 실리콘 음극재 공장 준공식을 가졌다고 23일 발표했다. 실리콘 음극재는 기존 리튬이온배터리에 적용되는 흑연 음극재에 비해 에너지 밀도를 4배 높일 수 있어, 이를 통해 전기차의 주행거리를 향상시키고 충전 시간을 단축시킬 수 있는 차세대 음극재로 각광받고 있다. 실리콘 음극재는 나노 구조로 제작되어 사이클 안정성이 높고 수명이 길다. 또한 지구상에 풍부하게 존재하는 실리콘은 흑연보다 생산 비용이 저렴하다. 그러나 실리콘 음극재는 부피 변화와 낮은 전기 전도도 등의 도전과제를 안고 있다. 충전/방전 과정에서 부피 변화가 크게 발생하여 전극 파손 위험이 있다. 아울러 전기 전도도가 낮아 전지 성능 저하 가능성이 있다. 또한 전극 표면과의 접착력이 약해 분리 발생 가능성이 있다. 이에 업계에서는 다양한 나노 구조 및 코팅 기술 개발해 부피 변화 및 전기 전도도 문제 해결을 위해 노력하고 있다. 실리콘의 장점과 흑연의 장점을 동시에 활용하는 흑연과의 복합화 연구 등도 진행 중이다. 포스코실리콘솔루션이 달성한 연간 550톤의 생산능력은 약 27만5000대의 전기차를 생산할 수 있는 규모에 해당한다. 포스코실리콘솔루션은 지난해 4월에 착공해 최근에 하(下)공정 설비를 준공했으며, 오는 9월에는 상(上)공정을 포함한 전체 생산라인의 종합 준공을 목표로 하고 있다. 이 회사는 2030년까지 연간 2만5000톤의 실리콘 음극재 생산 체제를 완비할 계획이다. 음극제 시장 전망에 따르면, 현재 약 1만톤 규모인 글로벌 실리콘 음극재 시장은 2035년까지 28만5000톤으로 성장할 것으로 예상된다. 포스코그룹은 음극재 제품군을 강화하고 증가하는 시장 수요에 선제적으로 대응하기 위하여 2022년 7월에 실리콘 음극재 기술을 보유한 스타트업 테라테크노스를 인수하고, 이를 포스코실리콘솔루션으로 사명을 변경했다. 또한, 포스코그룹은 실리콘과 탄소를 혼합한 복합체 음극재의 생산도 계획 중에 있다. 이와 관련해, 그룹사 포스코퓨처엠은 이달 말 경상북도 포항 영일만 산업단지에서 실리콘 탄소 복합체 음극재 데모플랜트의 운영을 시작할 예정이며, 고객사별로 최적화된 실리콘 음극재 솔루션을 제공할 계획이다.
- 산업
2024-04-23
[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개

중국의 신재생 에너지 기업 타이란신에너지(太藍新能源·Talent New Energy)가 초고에너지 밀도를 갖춘 새로운 전고체 배터리 셀을 공개했다. 중국 전기차 전문매체 CNEV포스트는 전고체 리튬배터리 스타트업 타이란신에너지(이하 타이란)는 단일 셀 용량이 120Ah이고 실제 에너지 밀도가 720Wh/kg인 자동차 등급 전고체 리튬 금속 배터리 시제품을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난 3일(현지시간) 보도했다. 타이란은 지난 2일 성명에서 이 수치가 리튬 배터리의 단일 셀 용량과 에너지 밀도 부분에서 새로운 업계 기록이라고 밝혔다. 참고로 전기차 제조사 니오(Nio)의 150kWh 반고체 배터리 팩은 베이징 위리온 뉴 에너지 테크놀로지(위리온)의 셀을 사용하며, 용량은 360Wh/kg이다. 니오는 지난달 이 반고체 배터리 팩이 2분기에 출시될 예정이며, 니오 차량에 탑재돼 1회 충전으로 최대 주행 거리(단일 충전 기준)를 1000km 이상으로 늘릴 것이라고 밝혔다. 타이란의 전고체 배터리는 위리온의 반고체 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 높기 때문에 대량 생산이 가능하다면 전기차의 주행 가능 거리가 약 2000km에 달할 것으로 예상된다. 전고체 배터리와 반고체 배터리는 모두 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 두 배터리 기술의 주된 차이점은 전해질의 상태에 있다. 전고체 배터리는 액체나 젤 형태의 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 고체 전해질은 일반적으로 폴리머, 세라믹 또는 복합체로 만들어진다. 고체 전해질은 불연성이기 때문에 전통적인 리튬 이온 배터리보다 화재나 폭발 위험으로부터 더 안전하다. 또한 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 즉, 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 반고체 배터리는 고체와 액체 성분을 혼합한 전해질을 사용한다. 즉, 부분적으로는 고체 물질을 포함하지만 액체 성분이 일부 존재한다. 반고체 배터리는 전고체 배터리로의 전환을 위한 중간 단계로 볼 수 있다. 타이란은 성명에서 초박막 고밀도 복합 산화물 전고체 전해질, 고용량 양극 및 음극 소재, 전고체 배터리 성형 공정 등 전고체 리튬 배터리의 여러 핵심 기술에서 혁신을 이뤄냈다고 밝혔다. 새로 발표된 배터리의 양극은 고용량, 수명이 긴 리튬이 풍부한 망간 기반 소재를 사용하고 음극은 초광대폭, 초박막이며 높은 사이클 안정성과 다양한 이점을 갖춘 리튬 금속 기반 복합 소재를 사용한다고 회사 측은 설명했다. 타이란은 또 양극 내 이온 및 전자 수송 네트워크를 효율적으로 구축해 양극 내부의 하전 입자 이동을 개선했다고 밝혔다. 아울러 자체 개발한 유연한 층 소재를 통해 배터리의 종합적인 성능 향상을 실현했으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리의 주행거리와 안전성 문제 등을 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다. 2018년에 설립된 타이란은 전고체 리튬 배터리 및 소재 기술 개발에 주력하고 있다. 2022년 3월 중국 부동산 개발업체 비구이위안(碧桂園·컨트리 가든)으로부터 투자를 유치한 바 있다. 타이란은 산화물 시스템을 기반으로 고체 전해질과 고체 리튬 배터리를 개발했으며 다양한 소재와 반고체 및 전고체 배터리에 대한 기술 파이프라인을 완성했다. 지난해 보도자료에 따르면 1세대 반고체 배터리의 에너지 밀도는 최대 400Wh/kg, 2세대 준고체 배터리는 400Wh/kg에서 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성했다. 타이란은 이러한 1세대 및 2세대 배터리는 여전히 액체 전해질을 포함하고 있으며, 2023년 7월에 3세대 전고체 배터리는 더 이상 액체 전해질을 포함하지 않을 것이라고 말했다.
- 포커스온
2024-04-05
[신소재 신기술(15)] 배터리 스타트업 코어셸, 주행거리 희생 없는 저렴한 LFP배터리 선봬

배터리 소재 스타트업인 코어쉘(Coreshell)은 저렴한 리튬 이온 배터리 제조 기술을 개발했다고 발표했다. 미국 기술전문매체 티크크런치는 15일(현지시간) 코어쉘이 야금용 실리콘을 활용한 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극으로 만든 전기차 배터리를 내년부터 양산에 들어간다 보도했다. 회사에 따르면 kWh당 최대 30% 저렴한 비용으로 비교할 수 없는 충전 성능과 안전성을 갖춘 배터리를 만들 수 있다. 야금 등급 실리콘은 고순도 실리콘보다 저렴할 뿐만 아니라 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 비용의 약 절반에 불과하다는 설명이다. 현재 전기자동차(EV) 보급의 가장 큰 장애물 중 하나는 비용이다. 소비자들은 현재 대부분의 전기자동차는 휘발유 차량보다 가격이 높아 구매를 망설이고 있다. 실리콘은 리튬이온배터리의 음극 단자인 양극에서 흑연을 대체할 수 있는 잠재력이 있다. 실리콘과 흑연 모두 배터리가 충전 중일 때 리튬 이온을 받아들이고 저장한다. 실리콘은 훨씬 더 많은 양의 전기를 저장할 수 있지만 단점이 있다. 충전할 때 양극이 부풀어 오르는 경향이 있다. 흑연 음극은 약간 부풀뿐 크게 팽창하지는 않는다. 하지만 실리콘 양극은 충전할 때 풍선처럼 부풀어 원래 크기의 몇 배까지 팽창할 수 있다. 이를 보완할 수 있는 소재가 없으면 충전과 방전을 반복하면 양극이 무너질 수 있다. 실리콘 음극 기술 개발 경쟁 이에 실리콘의 배터리 성능 향상 잠재력을 인식한 여러 스타트업은 실리콘의 팽창 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 대부분의 접근 방식은 실리콘의 팽창 특성을 수용하기 위해 특수한 미세 구조를 사용한다. 이들 기업은 자체 개발 배터리를 제조하기 위해 더욱 정제되고 비용이 높은 실리콘을 사용한다. 결과적으로 실리콘 음극은 현재까지 가격 프리미엄을 보다 쉽게 흡수할 수 있는 소비자 전자 제품 및 고급 전기자동차 시장을 타겟으로 했다. 코어쉘은 이전에는 다양한 배터리 재료의 성능 저하를 늦추는 코팅 기술에 주력했지만, 현재는 실리콘 전문 기업으로 전환했다. 조나단 탄 코어쉘 공동 설립자 겸 최고경영자(CEO)는 테크크런치와의 인터뷰에서 "우리는 2년 전 야금용 실리콘 분야에서 획기적인 발전을 이루었다"라고 말했다. 그는 야금용 실리콘 코팅은 충전 및 방전 사이클을 통해 재료를 유지하는 데 도움이 되는 탄력적인 특성을 가지고 있으며 표면 저하도 방지한다고 강조했다. 탄 CEO는 "시장에 출시한 이 기술은 내년부터 상용화에 집중할 것"이라고 밝혔다. 야금 등급 실리콘, 흑연 비용의 절반 탄 CEO는 지난 14일(현지시간) 국제 배터리 세미나의 프레젠테이션에서 야금 등급 실리콘은 고순도 옵션보다 저렴할 뿐만 아니라 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 비용의 약 절반에 불과하다고 말했다. 코어쉘은 이번 주 금속 생산업체인 페로글로브와 야금용 실리콘 공급 계약을 체결했다. 야금용 실리콘은 전 세계 흑연 공급망을 쥐고 있는 중국을 벗어날 수 있는 지정학적 파급 효과도 있다. 벤치마크 미네랄 인텔리전스에 따르면 전 세계 흑연 음극 공급망의 4분의 3이 중국을 통과한다. 이로 인해 배터리 제조업체와 자동차 제조업체는 곤경에 처해 있다. 미국에서 전기차에 대한 세금 공제 혜택을 받으려면 인플레이션 감축법(IRA)에 따라 배터리 소재의 최소 비율을 미국산 또는 미국과 자유무역협정을 맺은 국가에서 조달해야 한다. 이 비율은 2028년에 90%까지 늘어날 예정이다. 실리콘은 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문에 동일한 용량의 배터리는 흑연에 비해 재료가 더 적게 들어간다. 코어쉘은 이를 감안해 미국이 수요를 충족하기에 충분한 금속 실리콘을 보유해야 한다고 추정했다. 또한 금속 실리콘은 흑연보다 가격이 저렴하기 때문에 중국산 흑연을 완전히 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극 코어쉘이 생산하는 첫 번째 제품은 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극이 될 예정이다. LFP 음극은 니켈-망간-코발트(NMC) 등 전기차에 사용되는 다른 화학 물질보다 저렴하고 안전하며, 중국 외 지역에서 쉽게 구할 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고, 자동차 제조업체들은 NMC에 비해 에너지 밀도가 낮다는 점 때문에 LFP의 광범위한 적용을 망설여 왔다. 그러나 실리콘 음극과의 결합은 이러한 에너지 밀도의 차이를 해결할 것으로 보인다. 코어쉘은 실리콘 음극을 사용함으로써, 흑연 음극을 사용하는 기존의 NMC 배터리에 비해 LFP 배터리가 경쟁 우위를 가질 수 있다고 전망했다. 한편, 코어쉘은 기술을 확장하고 상용화해야 하는 과제가 있다. 이 과정은 쉽지 않으며, 초기 시장은 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 듄 버기 같은 e-모빌리티 분야가 될 것으로 보인다. 이와 관련해, 코어쉘은 1960년대 상징적인 듄 버기를 제작한 마이어스 맨스(Meyers Manx)와 파트너십을 체결했다. 현재는 자체적으로 재료를 생산하고 있으나, 기술을 라이선스하고 공급업체와 더 긴밀히 협력하는 방안에도 열려 있다. 이 회사는 2025년까지 파트너사에 첫 번째 샘플(A-샘플)을 제공할 계획이다. 또한 10년 내에 자사의 기술이 전기차에 탑재되기를 기대하고 있다. 경쟁 업체인 실라(Sila)와 그룹 14(Group14)도 2025년까지 상업 생산을 목표로 하고 있다. 실리콘 음극 재료는 현재 비용이 더 높지만, 대량 생산과 축적된 경험을 통해 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 자동차 제조업체들에게 이는 매력적인 옵션이 될 수 있다. 모든 배터리 혁신이 시장의 요구를 충족시키는 것은 아니지만, 리튬 이온 배터리 기술이 비용 효율적으로 계속 발전하려면, 다양한 접근 방식이 필요하다. 코어쉘의 기술이 성공적으로 입증된다면, 중국에 대한 의존도를 줄이면서도 비용 효율적인 배터리 개발로 나아가는 새로운 방향을 제시할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-16
리튬이온배터리 4대 핵심 소재 시장, EV 배터리·메탈 가격 하락으로 17.4% 급감

지난해 전기자동차(EV) 시장은 하반기에 수요 둔화에도 불구하고 30% 이상의 성장률을 기록했다. 하지만 리튬이온 배터리 소재 업체들은 배터리 가격 하락과 리튬 및 메탈 가격 하락으로 인해 역성장을 경험했다. 15일 에너지 전문 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 지난해 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등 리튬이온 배터리의 4대 핵심 소재 시장 규모는 600억 달러(약 79조 7820억원)로 전년(726억달러, 약 96조 5290억원)) 대비 17.4% 감소했다. 배터리 가격 또한 13.4% 감소했다. 특히, 배터리 가격 하락률보다 소재 가격과 메탈 및 원자재 가격 하락률이 더욱 컸다. SNE리서치는 이로 인해 대부분의 소재 업체들은 지난해 하반기에 역성장을 경험했으며, 올해 상반기에도 재고 물량 확대와 시장 성장 둔화 추세가 지속될 것으로 예상된다고 진단했다. 반면, 전기차 시장은 고금리로 인한 경기 침체와 대중화 이전의 일시적인 수요 둔화(캐즘·Chasm, 깊은 틈)에도 불구하고 여전히 30%대의 성장률을 기록했다. 지난해 전기차 판매량은 1407만 대에 달하며, 전년 대비 33.5% 성장했다. 전기차 배터리 사용량 역시 전년의 503기가와트시(GWh)에서 698GWh로 38.8% 증가했다. 전기차 및 배터리 시장과 동반 성장을 기대했던 소재 업체들은 올해 원가 절감과 수익성 개선, 그리고 중국의 저가 경쟁에 대응하기 위한 기술력 확보에 직면하게 됐다. 또한, 중국에 대한 원재료 의존도를 낮추기 위한 공급망 다양화, 자체 기술 내재화 비율의 증가, 인수합병(M&A) 및 기술 협력 협약(MOU)을 통한 기술 격차 해소, 그리고 차세대 신기술의 선점을 위한 개발이 필요해졌다. SNE 리서치는 "최근 배터리의 핵심 원료인 리튬과 니켈의 가격이 상승세를 보이고 있다"며 이는 소재 업체들의 실적 회복에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다고 밝혔다. 또한 "한국의 주요 배터리 제조업체 3곳의 생산설비에 대해 지속적인 투자는 소재 업체들이 판매량을 확보하는 데 도움이 될 것으로 예상된다"고 전했다. 한편, SNE리서치가 지난 11일 발표에서 지난해 글로벌 에너지저장시스템(ESS)용 리튬이온배터리(LiB) 출하량이 전년 대비 53% 성장한 185기가와트시(GWh)였다고 보고했다. 지역별 수요 분석에 따르면, 중국이 84GWh로 전체 시장의 약 45%를 차지하며 가장 큰 비중을 보유했다. 북미 지역은 55GWh로 전체의 30%를 차지했으며, 유럽과 기타 지역은 각각 23GWh로 시장의 12% 점유율을 기록했다. 업체별 성장률을 살펴보면, 리튬 인산철(LFP) 배터리를 기반으로 하는 중국의 배터리 제조업체들이 특히 눈에 띄는 성장을 보였다. 출하 실적 및 시장 점유율 상위 1위부터 5위까지 모두 중국 업체들이 차지했으며, 이들 다섯 업체의 점유율은 전체의 78%에 달했다. 중국의 CATL이 42% 성장해 74GWh로 전년에 이어 1위를 유지했고, BYD(비야디)가 57% 증가한 22GWh로 2위, 이브(EVE)가 110% 성장해 21GWh로 3위를 차지했다. 4위인 REPT와 5위인 하이티움도 각각 100%와 160%의 눈에 띄는 성장률을 기록했다. 국내 업체 중에서는 삼성SDI와 LG에너지솔루션이 각각 6위와 7위에 올랐다. 그러나 삼성SDI의 성장률은 전년 대비 0%로 제자리 걸음을 걸었고, LG에너지솔루션은 -11%로 출하량이 감소했다. 이에 따라 양사의 시장 점유율은 2022년 14%에서 지난해 9%로 하락했다. SNE리서치에 따르면, ESS 시장에서 미국 인플레이션 감축법(IRA)의 외국 우려 기업(FEOC) 규정이 적용되지 않아 중국산 배터리에 대한 제한이 없는 상태다. 이로 인해 가격 경쟁력이 높은 중국 제품이 글로벌 시장을 지배하고 있다고 진단했다. 한편, SNE리서치는 오는 21일부터 26일까지 한국과학기술회관에서 세미나를 개최할 예정이다. 이 자리에서는 전기차와 배터리 시장, 4대 핵심소재 시장의 중요 이슈들과 차세데 소재 기술의 최신 동행 등을 논의할 계획이다.
- 산업
2024-03-15
정부·배터리 3사, 차세대배터리 개발 '박차'…업계, 올해 9조원 투자

한국 정부와 배터리 업계가 차세대 배터리 개발을 위해 총력을 기울이기로 했다. 치열한 글로벌 경쟁 속에서 혁신을 가속화하고 미래 산업 경쟁력을 확보하기 위한 전략이다. 산업통상자원부는 11일, 정부와 배터리 3사(LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온)가 '민관 합동 차세대 배터리 기술개발 사업'을 추진한다고 발표했다. 업계는 올해 총 9조원 이상의 설비·연구개발(R&D) 투자를 계획하고 있으며, 정부는 앞으로 5년간 유망 배터리 개발에 총 1172억원을 지원할 예정이다. 산업통상자원부는 이날 서울 강남구 기술센터에서 안덕근 산업부 장관 주재로 열린 '민관 합동 배터리 얼라이언스' 회의에서 이 같은 방안이 논의됐다고 밝혔다. 이날 회의에는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 배터리 3사와 에코프로, 엘앤에프, 포스코퓨처엠, 엔켐 등 소개 기업, 현대차, 고려아연 등 총 11개 기업 관계자가 참석했다. 배터리산업협회와 광해광업공단 등의 관계자도 자리했다. 이 자리에서 배터리 3사는 정부가 추진하는 '민관 합동 차세대 배터리 기술개발 사업'의 필요성에 공감하고 참여 의사를 밝혔다. 차세대 배터리는 기존 소재와 다른 물질을 사용해 배터리의 성능과 안전성을 획기적으로 높인 이차전지를 말한다. 이차전지는 반복적으로 충전과 방전이 가능한 전지를 말한다. 한 번 사용한 후 버리는 1차전지와 달리, 전기를 공급하여 재사용할 수 있다는 장점이 있다. 최근 기술적 한계에 도달하고 있는 리튬이온배터리를 대체할 게임 체인저로 주목받고 있다. '꿈의 배터리' 전고체 배터리 이번 사업의 주요 대상은 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리다. 기존 리튬이온 배터리 대비 에너지 밀도와 안전성을 획기적으로 향상시킨 차세대 배터리로, 화재 위험성 감소와 주행거리 증가 효과가 기대된다. 삼성SDI는 최근 열린 '인터배터리 2024'에서 업계 최고 수준의 부피당 에너지 밀도를 자랑하는 900Wh/L 전고체 배터리 개발 현황과 구체적인 양산 준비 로드맵을 공개하기도 했다. 일본의 도요타, 중국의 CATL, 미국의 퀀텀스케이프, 독일의 폭스바겐 등 글로벌 기업들이 차세대 배터리 기술 개발 경쟁에 이미 뛰어들었다. LG엔솔 등 국내 배터리 3사도 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 산업부는 "개별 기업이 모든 필요 기술을 개발하고 적정한 기술 포트폴리오를 확보하기는 어려워 소부장(소재·부품·장비) 기업이 모두 참여하는 정부 과제를 통해 관련 생태계를 폭넓게 육성하려 지원 사업을 추진하기로 했다"고 말했다. 정부는 2028년 개발을 목표로 전고체 배터리, 리튬메탈 배터리, 리튬황 배터리 등 3개 분야의 유망 기술 개발을 추진하고, 이를 위해 2028년까지 총 1172억3000만원을 지원한다. 이외에도 리튬메탈 배터리와 리튬황 배터리 개발도 지원한다. 리튬메탈 배터리는 에너지 밀도와 수명 개선이 기대된다. 리튬황 배터리는 양극소재에 리튬이 아닌 황을 사용해 기존 배터리보다 가벼운 것이 장점이다. 이 때문에 도심항공교통(UAM) 등 기체 무게가 중요한 모빌리티용으로 적합할 것으로 전망된다. 정부는 이들 과제에 대해서는 다음 달 과제 공고를 내고, 상반기 중 평가를 거쳐 하반기부터 개발 사업에 착수하기로 했다. 보급형 배터리 기술개발 사업도 논의 이날 회의에서는 전고체 배터리뿐 아니라 보급형 배터리 기술개발 사업 등 다양한 주제들이 논의됐다. 특히 가격이 저렴한 리튬인산철(LFP) 배터리는 전기차 시장 부진에 따라 완성차 업체들이 속속 채택 방침을 발표하며 관심을 받고 있다. 국내 배터리 3사 역시 지난해부터 LFP 개발에 착수했으며, 에코프로, 엘앤에프 등 소재 기업들도 LFP용 양극재를 개발하고 있다. 지난해부터 LFP 배터리 개발을 위한 R&D 과제를 추진 중인 정부는 올해부터는 나트륨 배터리 개발을 위한 R&D 과제도 함께 진행한다. 나트륨 배터리는 에너지밀도가 낮고 수명도 보통 수준이지만, 안전성이 높고, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 정부는 LFP 배터리 기술개발을 위해 2026년까지 총 233억원을, 나트륨 배터리 기술개발에 2027년까지 총 282억원을 투입하기로 했다. 주요 기업들도 올해 설비투자 7조1000억원을 포함해 총 9조원 이상을 국내에 투자할 계획이라고 밝혔다. 차세대 배터리 부문에서 LG에너지솔루션은 차세대 4680(지름 46mm·길이 80mm) 원통형 배터리를 이르면 오는 8월부터 오창 에너지플랜트에서 양산할 예정이라고 밝혔다. 광물제련·소재 부문에서 포스코퓨처엠은 올해 하반기를 목표로 인조흑연 생산 공장 착공을 추진하고, 하이니켈 양극재 생산 공장을 내년 상반기 준공 목표로 추진할 예정이다. 안 장관은 올해 민관이 함께 풀어야 할 과제로 △ 차세대 배터리 기술개발 △ 보급형 제품 개발 △ 미국 인플레이션 감축법(IRA) 등 통상현안 대응 △ 국내 투자를 통한 공급망 자립화 △ 배터리 전주기 순환 체계 구축 등 5대 과제를 제안했다. 또한 이런 과제들을 해결하기 위해 민관 얼라이언스를 시작으로 민관 소통과 협력을 더욱 강화해나가겠다고 말했다. 차세대 배터리 개발은 미래 산업 경쟁력 확보의 핵심이다. 정부와 배터리 업계의 협력 강화를 통해 기술 혁신을 가속화하고 글로벌 시장 선점에 성공한다면, 에너지 효율 향상, 친환경 자동차 산업 발전 등 다양한 파급 효과를 기대할 수 있다.
- 산업
2024-03-11
[신소재 신기술(9)] 땅콩 껍질로 리튬 이온 배터리 생산 기술 개발

중국 과학자들이 땅콩 껍질을 활용하여 리튬 이온 배터리를 생산하는 새로운 기술을 개발했다. 이 연구는 폐기물 활용과 리튬 이온 배터리 성능 개선이라는 두 가지 문제를 동시에 해결했다. 과학기술 전문 매체 더 쿨다운은 지난 5일(현지시간) 중국 과학기술대학교 연구팀이 땅콩 껍질에서 추출한 산화철을 이용하여 리튬 이온 배터리 음극을 제조하는 새로운 방법을 개발했다고 전했다. 연구 결과 땅콩 껍질 기반 음극은 높은 전기 용량과 우수한 사이클 안정성을 보였다. 게다가 떵콩 껍질 기반은 기존 흑연 기반 음극보다 저렴하고 친환경적이다. 이 연구 결과는 지난해 11월 14일 에너지 저장 기술과 시스템에 관한 연구를 다루는 국제 학술지 '저널 오브 에너지 스토리지(Journal of Energy Storage)'에 게재됐다. 리튬 이온 배터리는 양극과 음극(각각 양전극과 음전극) 사이에서 리튬 이온을 이동시켜 작동한다. 현재 대부분의 리튬 이온 배터리 음극은 흑연, 규소, 또는 이 둘의 복합체와 같은 탄소 기반 물질로 제조된다. 그러나 리튬 이온 배터리 연구에 종사하는 과학자들은 이러한 기존 소재보다 더 우수한 물질을 개발할 수 있다고 기대해 왔다. 땅콩 껍질 기반 음극, 높은 전기 용량 지녀 또 다른 학술지 '응용 표면 과학 언드밴스(Applied Surface Science Advances)' 저널에 게재된 「리튬 이온 전지용 음극 재료: 리뷰」라는 제목의 연구 논문에서 연구팀은 "흑연 음극은 용량이 적고 안전상의 문제가 있다는 것이 잘 알려져 있다"고 지적했다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 "다음 세대 리튬 이온 전지용 새로운 음극 재료로서 많은 고성능 음극 재료들이 연구되고 있다"고 덧붙였다. 이같은 상황에서 최근 개발된 음극 재료 중 하나가 바로 땅콩 껍질을 활용한 것이다. 연구팀은 땅콩 껍질이 저렴하다는 점에서 재료로 매력적이라고 설명했다. 연구 논문에서 저자들은 "싸고 반복 성능을 개선하는 데 적합한 열분해 공정을 위한 탄소 원천으로 저렴한 원료를 찾기 위해 노력했다"고 밝혔다. 폐기되는 유기물질인 땅콩 껍질을 활용하여 리튬 이온 배터리를 제조하는 것은 두 가지 문제를 동시에 해결하는 훌륭한 방법이다. 이는 배터리의 효율, 안전성 및 비용을 개선하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 식품 폐기물 문제 해결에도 기여한다. 땅콩 껍질을 이용해 배터리를 만들면 쓰레기 매립지에 폐기되어 지구 온난화 가스를 배출하는 대신 유용한 자원으로 활용될 수 있다. 연구팀은 또한 대나무, 흰목이버섯의 일종인 트레멜라(tremella), 뽕잎, 목재, 녹차 등에서 추출한 탄소 함유 물질 등을 사용해 동일한 실험을 진행했다. 감귤 껍질로 리튬 배터리 재활용 비슷한 맥락에서 또 다른 연구팀은 최근 감귤류 껍질을 이용해 리튬 배터리를 재활용하는 방법을 개발했다. 싱가포르 난양 기술 대학교(Nanyang Technological University·NTU) 과학자들은 감귤 껍질을 활용해 리튬 배터리를 재활용하는 기술을 개발했다. 새로운 방법은 과일 껍질을 이용해 사용한 배터리에서 귀금속을 추출한 다음 새 배터리에 재사용할 수 있었다. 이는 리튬 배터리를 재활용하는 가장 환경 친화적인 방법일 수도 있다. 이 연구팀의 일원인 마다비 스리니바산(Madhavi Srinivasan) 교수는 "현재 산업적으로 전자 폐기물을 재활용하는 과정은 에너지 집약적이며, 유해한 오염 물질과 액체 폐기물을 배출하므로 전자 폐기물의 양이 증가함에 따라 친환경적인 재활용 방법이 시급히 필요하다. 우리 팀은 생분해성 물질로 재활용하는 것이 가능하다는 것을 입증했다"며 "이러한 발견은 우리의 기존 작업을 기반으로 한다"고 설명했다. NTU 팀은 극한의 온도를 요구하지 않고 오렌지 껍질과 감귤류에서 발견되는 약한 유기산인 구연산만을 사용하여 산업 재활용 공정과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
- 포커스온
2024-03-07
신성에스티, 부산에 이차전지 생산 허브 구축

이차전지 분야의 선도 기업인 신성에스티가 부산에 생산 허브를 구축한다. 부산시는 4일 오후 부산시청에서 신성에스티와 국내 복귀 투자 양해각서를 체결한다고 발표했다. 양해 작서 체결식에는 박형준 부산시장, 안병두 신성에스티 대표이사, 구자천 신성델타테크 대표이사, 김기영 부산진해경제자유구역청장 등 양측 주요 인사들이 참석한다. 이차전지는 반복적으로 충전과 방전이 가능한 전지를 말한다. 한 번 사용한 후 버리는 1차전지와 달리, 전기를 공급하여 재사용할 수 있다는 장점이 있다. 2004년 설립된 신성에스티는 친환경 전기차 배터리와 에너지저장장치(ESS) 등 이차전지 부품 관련 전문 기술을 보유한 강소기업이다. 특히, 2016년 뿌리기술 전문기업 지정, 2020년 중소기업 기술혁신 대상 수상 등 기술력과 혁신경영 능력을 인정받아 코스닥 시장에도 상장됐다. 신성에스티는 올해 1월 1조7000억원 규모의 미국 수주를 계기로 내년부터 4년간 미국으로 수출할 이차전지 배터리 부품 물량을 납품하기 위해 중국의 생산 거점과 창원 본사를 부산으로 통합 이전할 계획이다. 이는 생산 효율성을 극대화하고 해외 시장 진출을 확대하기 위한 전략적 결정이다. 신성에스티는 부산 강서구 미음외국인투자지역에 463억원을 투자해 올해 연말까지 자동화 설비와 인증시스템을 갖춘 이차전지 스마트팩토리를 건립할 예정이다. 이는 최첨단 기술을 접목한 스마트 공장을 통해 생산성을 향상시키고 고품질 제품을 생산하기 위한 노력이다. 이 회사는 내년부터 부산 스마트팩토리에서 연간 1000억원 규모의 이차전지 배터리 부품을 양산할 계획이다. 이는 국내 이차전지 산업의 성장에 크게 기여할 것으로 기대된다. 신성에스티는 부산 공장 운영을 통해 관리, 구매, 생산, 품질 등 인력 60명을 지역에서 고용한다. 또한, 공장 착공부터 사업 운영까지 지역업체를 활용하여 일자리 창출과 지역경제 활성화에도 기여할 예정이다. 박형준 부산시장은 "미래차의 핵심 부품인 이차전지 분야에서 독자적인 전문 기술을 보유한 신성에스티가 국내 복귀를 부산으로 해 감사드린다"고 밝혔다. 또한, "강서구에 전기차 등 친환경차 관련 기업을 집중적으로 유치해 이차전지·모빌리티 기회발전특구로 지정해 미래 산업의 메카로 키워 나가겠다"고 말하며 신성에스티의 부산 투자를 통해 이차전지 산업 생태계를 구축하고 부산을 미래 산업의 중심지로 발전시키겠다는 의지를 드러냈다. 한편, 이차전지는 충전이 가능한 전지로서, 한 번 사용된 후에 충전하여 여러 번 사용할 수 있는 전지를 가리킨다. 이차전지는 일반적으로 리튬이나 니켈을 사용하여 만들어지며, 주로 휴대전화, 노트북, 전기 자동차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등 다양한 다양한 분야에 사용되고 있다. 이차전지의 기본 원리는 충전 및 방전 사이클을 반복함으로써 전자를 이동시켜 전기 에너지를 저장하고 방출하는 것이다. 충전 시 전자가 양극으로 이동하고, 방전 시 전자가 음극으로 이동하여 전기 에너지를 공급한다. 가장 널리 사용되는 이차전지는 리튬이온배터리다. 리튬이온 배터리는 고에너지 밀도와 긴 수명을 제공하며, 충전 및 방전 과정에서도 상대적으로 적은 에너지를 소비한다. 이러한 특성으로 리튬이온 배터리는 모바일 기기부터 전기 자동차까지 다양한 용도에 사용되고 있다. 이차전지는 환경에 미치는 영향이 적고, 재사용이 가능하며, 재충전이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 제조 및 폐기 과정에서 발생하는 환경 문제와 전기화학적 안정성 등의 문제를 고려해야 한다. 최근 이차전지의 환경 문제 등을 해결하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
- 산업
2024-03-04
도요타, 차세대 전고체배터리 EV 투입해 전기차 시장 주도 나서

도요타자동차는 충전시간을 줄이고 주행거리를 늘리는 전기자동차(EV)용 차세대 배터리인 전고체배터리를 탑재한 전기자동차(EV)를 수년내에 전세계에 투입할 방침이다. 로이터통신 등 외신들에 따르면 도요타자동차 고위관계자는 11일(현지시간) 인도에서 개최된 투자회의에서 이같이 밝혀 전기차 배터리 시장 주도 의지를 나타냈다. 전고체 배터리는 EV의 주행거리를 극적으로 향상시킬 수 있어 도요타가 지난해 6월에 발표한 전략적 전환의 중요한 항목중 하나다. 도요타와 이데미츠쿄산(出光興産)은 지난해 전고체 배터리의 개발과 양산에 제휴키로 발표했으며 오는 2027~2028년 상용화를 목표로 하고 있다. 도요타와 인도법인 도요타 킬로스카 모터를 이끌고 있는 비카람 굴라티 부사장은 "도요타는 앞으로 수년 이내에 전고체 배터리의 EV를 투입한다. 10분에 충전할 수 있고 주행거리는 1200Km이며 수명은 현저하게 늘어난다"고 설명했다. 반면 회의 개최중이었던 지난 10일 스즈키는 인도 자회사이며 도요타의 제휴처인 마루키 스즈키 인도가 그룹 첫 EV를 일본과 유럽으로 수출할 계획을 발표했다. 지난해 인도 자동차 판매대수에서 차지하는 EV 비율은 약 2%였지만 인도정부는 이 비율을 2030년까지 30%로 끌어올릴 목표를 내세우고 있다. 인도 도로교통장관은 회의에서 인도에서 연간 EV 판매대수가 2030년까지 1000만대에 이를 것이라고 전망했다. 전고체 배터리는 말 그대로 고체로만 만드는 배터리다. 주행거리를 비약적으로 늘리는 동시에 화재 위험성도 억제할 수 있어 '꿈의 배터리'로 불린다. 기존 리튬이온배터리의 4대 소재(양극·음극·분리막·전해질) 가운데 열에 취약한 액체 전해질을 고체로 대체하면 화재 가능성을 크게 낮출 수 있다. 또 고체전해질은 그 자체로 분리막 역할을 해서 별도의 분리막이 필요 없다. 따라서 배터리 부피를 줄일 수 있고, 이는 에너지밀도의 향상과 주행거리 증가로 이어진다. 현재 전고체 배터리 시장에서는 일본이 가장 앞서나가고 있다. 도요타는 전 세계에서 전고체 배터리 관련 특허를 가장 많이 가진 기업이다.
- 산업
2024-01-12
도시바, 코발트 대체 신형 리튬이온배터리 개발

도시바가 코발트를 사용하지 않는 새로운 형태의 이차전지를 개발하는 데 성공했다. 일본 매체 이타임스(eetimes)는 도시바가 코발트를 사용하지 않는 5V급 고전위 양극재를 활용한 새로운 리튬이온 이차전지를 개발했다고 최근 보도했다. 코발트는 지각에서 주로 화합물 형태로 존재하며, 철운석에서 소량의 합금 형태로 발견된다. 코발트는 특히 배터리의 양극재 원료로 사용되며, 중국이 이를 가장 많이 생산하는 것으로 알려져 있다. 이러한 상황 속에서 일본의 도시바가 코발트를 사용하지 않는 신형 리튬이온 배터리 개발에 성공한 것은 주목할 만한 사건이다. 도시바는 오는 2028년 이 기술을 상용화해 미래 자동차 애플리케이션으로 확장하는 것을 목표로 하고 있다. 이 리튬이온 이차전지의 시제품은 3V 이상의 출력전압, 5분 만에 80%까지 충전할 수 있는 고속 충전 성능, 60°C의 고온에서 우수한 수명 특성을 보여준다고 회사 측은 밝혔다. 이러한 이차전지 개발 배경은 탄소 중립 달성을 위해 산업 장비와 상용차의 전기화가 시급한 상황이기 때문이다. 승용차와 달리, 버스, 트럭, 중장비와 같은 상용차량은 긴 운행 시간과 열악한 환경에서 사용된다. 기존의 리튬이온 배터리는 충전 시간이 짧다는 단점이 있고, 열악한 환경에서 수명이 단축되어 상용차의 전기화 요건을 만족시키기 어렵다. 또한, 기존의 리튬 이온 배터리는 재료 공급망에서도 문제를 가지고 있다. 코발트와 같은 희귀 금속은 수요 증가, 생산국의 불균형, 채굴 및 정제 과정에서의 환경적 문제로 인해 공급 부족과 비용 변동의 문제에 직면해 왔다. 이로 인해 세계 각국은 양극재의 코발트 사용을 줄이려고 노력하고 있다. 이러한 상황 속에서, 코발트를 사용하지 않는 5V급 고전위 양극재에 대한 관심이 높아지고 있다. 리튬 이온 배터리의 전압은 양극과 음극 사이의 전위차에 의해 결정되므로, 높은 양극 전위는 전압을 증가시키고 전력 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 그러나 높은 전극 전위는 실제로 몇 가지 문제를 야기한다. 이는 전해질과 반응하여 가스를 생성하는 것뿐만 아니라, 금속 이온이 양극에서 전해질로 용해되는 현상을 포함한다. 전해질의 내산화성을 개선하려는 시도들이 있었지만, 가스 생성을 억제하고 리튬 이온의 전도성을 유지하는 것 사이의 상충관계로 인해 이러한 문제를 해결하기 어려웠다. 5V급 고전위 음극 전해질 분해 메커니즘 밝혀 도시바는 5V급 고전위 양극이 전해질을 분해하는 메커니즘을 분석했다. 연구에서는 전해액이 음극 입자의 표면에서 분해되어 가스를 발생시키고, 음극에서 용출된 금속 이온이 음극 표면에 작용하여 가스 발생을 증가시키는 것을 발견했다. 이 연구를 바탕으로, 도시바는 양극의 입자 표면을 변형시켜 금속의 용출을 줄이는 기술과 음극 표면에서 용출된 이온을 중화하는 기술을 개발했다. 이 두 가지 기술의 결합을 통해, 기존 전해질을 사용하면서도 5V급 고전위 양극에서 발생하는 가스 문제를 크게 줄일 수 있었다. 니오븀-티타늄 산화물 양극과 결합 도시바는 이 음극을 니오븀-티타늄 산화물 양극과 결합하여 리튬 이온 이차전지를 개발했다. 산화물 음극은 수명이 길고 안전성이 높아 빠르게 충전할 수 있는 특징이 있어, 도시바는 이를 'SCiB'로 상품화했지만, 전위가 높기 때문에 배터리의 전압이 낮다는 단점이 있다. 이번 연구에서는 고전위 5V급 고전위 양극과 조합하여 양극과 음극의 전위차를 증가시켜 배터리 전압을 향상시켰다. 충방전 사이클 테스트에서의 도시바의 성능 시연은 흥미로운 결과를 보였다. 가스 발생 억제 기술이 적용되지 않은 배터리에서는 가스 발생으로 인한 팽창이 관찰되었으나, 가스 발생 억제 기술이 적용된 배터리에서는 팽창이 전혀 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 새로운 기술의 효과성을 입증하는 것으로 볼 수 있다. 평균 출력 전압이 3.15V인 이 배터리는 기존 SCiB보다 높은 전압을 제공한다. 또한, 이 배터리는 5분 만에 80%까지 급속 충전이 가능한 성능을 보유하고 있다고 한다. 고온 환경에서의 내구성 또한 뛰어나, 60°C의 환경에서 100회의 충방전 후에도 용량 유지율이 99.2%에 달했다. 도시바 나노소재 및 프론티어 연구소 R&D센터의 선임연구원 하라다 야스히로(原田康弘)는 "5V급 고전위 양극을 가진 기존 전해액을 사용하는 배터리로서는 탁월한 성능"이라며 고온 내구성에 대한 자신감을 드러냈다. 도시바는 이 기술을 2028년 실용화하는 것을 목표로 하고 있으며, 향후 용량을 더욱 늘리기 위해 검증을 실시할 예정이다.
- 산업
2024-01-03
리튬이온 전지, 저온 합성법 리튬 세라믹 개발

리튬이온 배터리는 에너지 저장장치의 최정점에 서 있지만, 고비용과 화재 위험이 단점으로 지적된다. 특히 원자재 가격의 상승이 이어지면서, 보다 경제적이고 효율적인 리튬이온배터리의 연구개발이 가속화되고 있다. 과학기술·의학전문 매체 '사이언스엑스(Science X)'는 최근 화학 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 게재된 고체 전해질 역할을 대신할 수 있는 경제적인 저온 합성법 리튬 세라믹 개발 소식을 전했다. 이 연구는 전기자동차의 배터리 개발에 있어서 큰 전환점이 될 것으로 보이며, 기존의 문제점들을 해결하는 데 일조할 것으로 보인다. 전기 자동차용 배터리 개발을 좌우하는 두 가지 요소는 차량 범위를 결정하는 '전력'과 '비용'으로, 이는 내연기관과의 경쟁에서 매우 중요하다. 미국 에너지부는 2030년까지 전기자동차의 배터리 생산 비용을 절감하고, 에너지 밀도를 높이는 것을 목표로 하고 있다. 이를 통해 내연기관 차량에서 전기 차량으로의 전환이 가속화될 것으로 전망되고 있다. 그러나 기존의 리튬이온 배터리만으로는 이 목표를 달성하기 어려울 것으로 보인다. 훨씬 더 작고, 더 가볍고, 강력하며 안전한 배터리를 제작하기 위한 새로운 접근 방식은 흑연 대신 금속 리튬을 사용한 양극 고체 셀을 사용하는 것이다. LLZO합성법 혁신 LLZO를 사용한 리튬이온 배터리 제조 과정에서는 일반적으로 이 물질을 1050°C 이상에서 음극과 함께 소결하여 급속한 리튬 전도성 입방 결정상을 형성하고, 전극에 강력하게 결합시켜야 한다. 그러나 600°C 이상의 고온 조건은 지속 가능한 저코발트 또는 무코발트 양극재의 안정성을 해치며, 생산비용과 에너지 소비 또한 상승시킨다. 이런 문제점을 해결하고자, 보다 경제적이며 지속 가능한 새로운 리튬이온 배터리 생산 방법의 필요성이 대두됐다. 이러한 배경 속에서 미국 케임브리지 MIT와 독일 뮌헨 TU의 연구팀이 새로운 합성 공정을 선보였다. 제니퍼 엘엠 루프(Jennifer LM Rupp) 박사가 이끄는 이 팀은 세라믹 전구체 화합물을 기반으로 하지 않는 새로운 방법을 개발했다. 이 공정은 LLZO를 형성하기 위해 순차적 분해 합성을 통해 직접 치밀화하는 액체 공정을 사용한다. 이를 통해 기존 방법보다 낮은 온도에서도 효율적으로 LLZO를 합성할 수 있게 되어, 생산 과정에서의 에너지 소비와 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 루프 박사와 그의 연구팀은 LLZO의 무정형 형태에서 결정질 형태(cLLZO)로의 다단계 상변환을 분석하기 위해 다양한 방법(라만 분광법, 동적 시차 주사 열량계 등)을 활용했다. 이를 통해 시간-온도-변환 다이어그램을 제작하며, 합성 경로의 조건을 최적화하는데 성공했다. 500도 이하에서 합성 성공 연구팀은 이러한 분석을 바탕으로 500°C라는 상대적으로 낮은 온도에서 10시간 동안 어닐링 과정을 거친 후, cLLZO를 조밀하고 견고한 필름 형태로 만드는 새로운 기술을 선보였다. 이 최적화된 합성 방법을 통해 미래의 배터리 설계에서는 코발트와 같은 사회 경제적으로 중요한 자원을 사용하지 않아도 되며, 지속 가능한 음극과 고체 LLZO 전해질을 통합할 수 있게 됐다. 연구팀은 최근의 연구 성과를 바탕으로 "전고체 배터리의 상용화가 한 걸음 더 가까워졌다"며 "앞으로의 연구를 통해 리튬 세라믹의 성능을 더욱 향상시키고, 다양한 종류의 전고체 배터리에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 한편, 한국원자력연구원 창업기업 내일테크놀로지는 나노 신소재를 이용하여 리튬이온전지의 성능과 안정성을 향상시키는 새로운 기술을 선보였다. 질화붕소 나노튜브(BNNT)를 활용한 이 기술은, 900도 이상의 고온에서도 안정성을 유지하며, 화학적 반응성이 낮은 것이 특징이다. 내일테크놀로지의 이러한 기술은 배터리 제작 공정에 무리 없이 적용될 수 있으며, 배터리의 출력과 용량, 충전과 방전, 그리고 안전성 등 전반적인 성능 향상에 기여할 것으로 예상된다. 이로써, 배터리 관련 기술 분야에서의 혁신과 더불어 에너지 저장장치의 성능 향상이 기대된다.
- 산업
2023-11-01
삼성SDI‧한국산업기술평가관리원, 리튬이온배터리용 내화성 젤 공개

삼성SDI와 한국산업평가관리원 과학자들이 화재 위험이 낮은 리튬이온배터리용 내화성 젤을 개발했다. 호주 매체 미라지뉴스는 17일(현지시간) 한국의 유니스트(UNIST) 에너지·화학공학부의 송현곤 교수, 한국화학연구원 첨단특수화학연구센터의 정서현 박사, 한국에너지기술연구원 울산에너지기술연구센터의 김태희 박사가 이끄는 공동 연구팀이 배터리 기술의 획기적인 이정표를 세웠다며 불연성 젤 고분자 전해질(GPE)을 개발해 리튬이온 배터리(LIB)의 열 폭주와 화재 사고 위험을 완화해 안전성을 획기적으로 개선했다고 보도했다. 리튬이온 배터리의 잠재적인 가연성은 특히 지하 주차장에 있는 전기 자동차(EV)에서 심각한 화재 우려가 제기됐다. 연구팀은 이 문제를 해결할 새로운 방법을 찾았다. 그들은 불연성 고분자 반고체 전해질을 성공적으로 개발해 배터리 화재를 효과적으로 줄일 수 있는 방안을 제시했다. 기존에는 불연성 전해질을 만들기 위해 난연성 첨가제나 끓는점이 매우 높은 용매를 주로 사용해 왔다. 그러나 이러한 방법은 종종 이온 전도도가 크게 감소해 전해질의 전반적인 성능을 저하시켰다. 연구팀은 전해질에 미량의 폴리머를 도입하여 반고체 전해질을 만들었다. 이 새로운 접근법은 기존 액체 전해질에 비해 리튬 이온 전도도를 33%까지 획기적으로 높였다. 또한 이 불연성 반고체 전해질을 적용한 파우치형 배터리는 고체-전해질 간상(SEI) 층을 형성하고 작동하는 동안 불필요한 전해질 반응을 효과적으로 방지해 수명 특성이 110% 향상됐다. 이 혁신적인 전해질의 주요 장점은 탁월한 성능과 불연성이다. 고분자 반고체 전해질은 배터리 화재 발생을 줄이기 위해 연소 중 연료 화합물과의 라디칼 연쇄 반응(Radical Chain Reaction)을 억제한다. 연구팀은 이러한 라디칼 반응의 안정화와 억제 능력을 정량적으로 분석하여, 개발된 고분자가 얼마나 우수한지를 입증했다. 정지홍 교수(UNIST 에너지·화학공학부)는 "배터리 내부의 고분자 물질과 휘발성 용매의 상호작용을 통해 라디칼 연쇄 반응을 효과적으로 억제할 수 있다"고 강조했다. 정 교수는 "전기화학적 정량화를 통해 불연성 전해질의 메커니즘을 이해하는 데 크게 기여할 것"이라고 말했다. 공동 제1저자인 김미금 UNIST 에너지·화학공학부 석사과정과 한국화학연구원의 연구팀은 다양한 실험을 통해 배터리 자체의 뛰어난 안전성을 추가로 확인했다. 그들은 그림 2와 같이 불연성 반고체 전해질을 파우치형 배터리에 적용, 실제 배터리 응용 분야에서 전해질의 불연성을 평가했고, 이를 통해 배터리의 종합적인 안전성을 검증했다. 송현곤 교수는 "UNIST의 전기화학, 한국화학연구원 첨단특수화학연구센터의 고분자 합성, 한국에너지기술연구원 울산첨단에너지기술연구센터의 배터리 안전성 시험 등 연구팀의 다학제적 구성이 이번 성과에 큰 힘이 됐다"고 말했다. 이어 "기존 배터리 조립 공정에 바로 적용할 수 있는 불연성 반고체 전해질을 사용함으로써 향후 보다 안전한 배터리 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 이번 연구는 국내 5건, 해외 2건의 특허를 출원해 그 의의를 더하고 있다. 또한 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'의 표지 논문으로 선정되어 2023년 10월 13일 온라인에 게재됐다. 이 연구는 한국연구재단(NRF), 과학기술정보통신부(과기정통부), 한국산업기술평가관리원(KEIT), 한국화학연구원(KRICT), 삼성SDI(주)의 지원으로 수행됐다.
- 산업
2023-10-18
전기차 '나트륨 이온 배터리' 급부상

전기 자동차 시장에서 오랫동안 리튬 이온 배터리가 주류를 차지해왔지만, 최근 나트륨 이온 배터리가 주목받기 시작했다. 지난 7일(현지시간) 독일 매체 아그라호이테(agrarheute)에 따르면 중국의 배터리 제조업체들은 이미 나트륨 이온 배터리 대량 생산에 돌입하며, 일부 전기차에도 탑재되기 시작했다. 독일에서도 이 기술에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 나트륨 이온 배터리는 현재 경쟁하는 기술과 마찬가지로 높은 에너지 밀도를 자랑하고 있다. 그리고 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 안전하며, 경제적이고 친환경적인 장점도 갖추고 있다. 중국 배터리 제조업체가 상하이 모터쇼에서 선보인 도시형 자동차는 나트륨 이온 배터리를 탑재하여 주행 거리 300km를 실현했다. 나트륨 배터리, 경제성·친환경성 장점 전세계적으로 배터리 패권 전쟁은 심화되고 있는 실정이다. 지난 9월 개최된 '2023 북미 배터리쇼'에서 연사로 나선 유니그리드(UNIGRID) 배터리의 CEO인 탄 다렌(Tan Darren) 최고경영자(CEO) 는 '첨단 나트륨이온배터리' 확보의 중요성에 대해 강조했다. 다렌 CEO는 "나트륨이온배터리는 리튬이온배터리와 구조가 유사하지만 가격이 높아진 '리튬' 대신 소금의 주 원소인 '나트륨'을 쓰기 때문에 재료가 풍부하고 생산 단가가 낮다는 장점이 있어 리튬이온배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다"라며 "나트륨 이온의 산화·환원 반응을 이용한 이 배터리는 합금 양극을 사용할 경우 출력 및 에너지 밀도에 있어서도 리튬이온배터리를 충족하거나 능가할 수 있다"라고 말했다. 실제로 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6% 존재하는 것으로 알려져 있다. 다렌 CEO는 이어 "기업들은 나트륨 원료 확보와 공급망에 주목해야 할 때"라고 덧붙였다. 리튬 자원의 한정성과 그에 따른 환경적 부담, 코발트와 니켈 채굴의 문제점 등을 감안할 때 나트륨 이온 배터리로의 전환이 드롭인(drop-in) 기술로 제안되고 있다. 이는 기존의 배터리 생산 라인에서 빠르게 전환할 수 있다는 장점이 있다. 나트륨 이온 배터리의 가장 큰 장점은 코발트나 니켈과 같은 민감한 물질을 필요로 하지 않는다는 것이다. 또한, 가격 경쟁력도 높아져 리튬 이온 배터리 대비 약 40% 저렴하게 제조할 수 있으며, 온도 변동에 강한 점도 특징이다. 나트륨 이온 배터리는 1980년대부터 알려져 왔지만 초기의 낮은 에너지 밀도 문제가 크게 개선되면서 주목받기 시작했다. 배터리 전문가들은 특히 낮은 온도에서의 우수한 성능을 강조하며, 이 기술이 전기 자동차산업에 큰 변화를 가져올 것으로 예상하고 있다.
- 산업
2023-10-09
美 리튬이온 배터리,10분 만에 80% 충전 가능한 소재 개발

미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)의 연구진이 기존 리튬이온 배터리보다 훨씬 빠른 충전 속도와 오래 지속되는 수명을 가진 새로운 배터리 소재를 개발했다. 최근 사이테크데일리(SciTechDaily)에서 공개된 이 연구에 따르면, 새로 개발된 리튬이온 배터리는 단 10분만에 80%까지 충전이 가능하며, 1500사이클 이상 사용 수명을 자랑한다. 오크리지 국립연구소는 미국 에너지부가 후원하고 UT-Battelle이 연방 기금 연구 개발 센터 (Federally funded research and development centers,FFRDCs)로 관리와 운영을 하는 미국 다중 프로그램 과학 기술 국가 연구소다. 리튬이온 배터리는 액체 전해질을 사용해 갑작스러운 충격이나 압력 변화에 내부 구조가 변화되면 온도가 상승해 폭발할 수 있다. 이번에 개발한 리튬이온 배터리의 핵심 기술은 탄산염 용매를 활용한 새로운 형태의 리튬 염과 이온 흐름의 향상에 있다. 연구팀은 이를 통해 고전류에도 견디며, 배터리 가열 문제가 크게 줄었다는 설명이다. 이번 연구결과는 전기 자동차(EV) 시장에서의 배터리의 충전 시간과 수명 문제를 크게 개선하는 데 기여할 것으로 보인다. 이는 전기자동차의 보급 확대와 환경 보호에 중요한 발판이 될 것으로 전망된다. 이번에 ORNL에서 개발된 배터리는 이온이 전해질, 즉 매개체를 통해 전극 사이로 움직이게 되는 원리로 작동 및 재충전된다. 연구원 즈이지아 두(Zhijia Du)는 탄산염 용매를 활용해 시간이 흐를수록 보다 효율적인 이온 흐름을 보장하는 리튬 염의 새로운 제형을 개발했다. 또한, 이 제형은 고속 충전 시 고전류에 의한 배터리 가열에 효과적으로 대응했다. 아울러 배터리의 안전성과 사이클링 특성을 입증하기 위해 ORNL의 배터리 제조 시설에서 만든 배터리 파우치 셀을 여러 차례 테스트했다. 즈이지아 연구원은 "이 새로운 전해질 제형을 통해 초고속 충전 배터리의 수명을 기존의 3배로 늘릴 수 있음을 확인했다"고 말했다. 이번 연구는 ORNL의 배터리 제조 시설에서 만든 배터리 파우치 셀을 통해 배터리의 안전성과 사이클링 특성을 입증하며 혁신적인 배터리 소재의 가능성을 높였다.
- 생활경제
2023-09-22