무질서한 암염: 산소 이동성을 해결하여 배터리 기술의 돌파구를 만든 방법

전 세계적으로 배터리에 대한 수요가 증가하고 있으며, 그 사용이 늘어나면서 자동차 산업, 휴대용 소비자 전자제품의 인기도 상승, 그리고 엄격한 환경 규제가 원인입니다. 그 결과, 전 세계 배터리 시장은 2023년 약 1,200억 달러에서 2036년까지 8,000억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

이러한 예상 성장에 비추어 연구자들은 배터리의 에너지 출력, 에너지 저장, 전력 용량 및 사이클링 용량과 같은 특성에 영향을 미치는 핵심 부품을 개선하기 위해 새로운 소재와 화학 물질을 지속적으로 개발하고 테스트하고 있습니다.

이러한 구성 요소에는 양극(양전극), 음극(음전극), 전해질(전극 간 이온 운반용) 및 분리막이 포함됩니다.  

오늘날 대부분의 배터리 구동 장치, 예를 들어 전기차(EV), 스마트폰 및 에너지 저장 시스템은 리튬이온 배터리 기술에 의존합니다. 리튬이온 배터리는 작은 크기에 많은 에너지를 저장하고, 빠르게 충전되며, 오래 지속됩니다.

하지만 배터리에 대한 요구가 커짐에 따라 효율성을 높이고 비용을 낮추며 안전성을 강화하고 지속 가능성을 촉진하는 새로운 기술이 연구·개발되고 있습니다.

수년간 지속적인 연구를 통해 리튬이온 및 납산 배터리를 대체할 수 있는 유망한 대안이 등장했습니다. 

나트륨이온 배터리는 더 저렴하고 안전한 옵션을 제공하며 저온에서도 성능이 우수합니다. 이 배터리는 리튬이온 배터리와 유사하지만 전해질로 염수를 사용해 에너지 저장에 더 적합하지만 아직 최적화 단계에 있습니다. 연구자들은 전해질 겔을 사용해 나노와이어를 더 견고하고 배터리용으로 적합하게 만들고 있습니다. 

고체 전해질 배터리는 겔이나 액체 전해질 대신 유리, 세라믹 또는 폴리머와 같은 고체 전해질을 사용합니다. 이 배터리는 효율성이 훨씬 높고, 무게가 가벼우며, 충전 속도가 빠르며, 이미 스마트폰과 심박조정기 등에 사용되고 있습니다. 토요타와 BMW는 현재 고체 전해질 배터리 구동 자동차 출시를 준비 중이지만, 상용화까지는 아직 몇 년이 걸릴 전망입니다.

새로운 배터리 기술에는 비용 효율적이지만 내구성에 제한이 있는 리튬-황 배터리와, 코발트 채굴에 대한 인권 문제를 해결할 수 있는 코발트‑프리 리튬이온 배터리도 포함됩니다. 그러나 TAQ와 같은 대안은 아직 초기 단계이며 추가 테스트가 필요합니다.

아연 기반 배터리도 연구 중이며, 아연‑망간 이산화물, 아연‑공기, 아연‑브롬, 아연‑이온 배터리 기술이 포함됩니다. 그러나 이들 배터리는 효율성이 낮고, 때때로 예상치 못한 화학 변환 반응이 일어나며, 제조 비용이 비싸기 때문에 추가 연구가 필요합니다.

전 세계가 점점 더 배터리에 의존함에 따라 과학자들은 저장 시간, 전력 출력, 생산 비용 및 즉시 사용 가능성을 개선하기 위한 돌파구를 찾는 데 집중하고 있습니다.

최신 배터리 돌파구: 암염‑폴리아니온 양극

새로운 연구는 배터리의 실용적 에너지 밀도를 높이는 데 진전을 이루었습니다. 지난 달 말 Nature Energy에 발표된 “과잉 리튬 및 안정화된 사이클링을 갖춘 통합 암염‑폴리아니온 양극”이라는 제목의 연구는 MIT 핵과학·공학부에서 수행되었습니다.

이 연구는 10년 넘게 리튬이온 배터리의 고급 양극 소재로 연구되어 온 무질서한 암염에서 발견된 새로운 양극 소재에 초점을 맞추고 있습니다. 

MIT 연구진은 이 소재가 전기차, 휴대폰 및 재생 에너지 저장을 위한 고에너지·저비용 저장을 구현할 수 있도록 했습니다.

도쿄전력(TEPCO) 핵공학 교수인 Ju Li가 이끄는 팀은 DRXPS, 즉 무질서한 암염‑폴리아니온 스피넬을 새로운 소재로 발견했습니다.

폴리아니온과 통합된 부분적으로 무질서한 암염 양극의 이 새로운 카테고리는 높은 전압에서 높은 에너지 밀도를 제공하면서 사이클링 안정성을 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 일반적으로 양극 소재에서 에너지 밀도와 사이클링 안정성 사이에 트레이드오프가 존재한다는 점을 고려하면 큰 성과입니다.

“이번 연구를 통해 우리는 새로운 양극 화학을 설계함으로써 한계를 뛰어넘고자 합니다.”

– 논문의 제1저자이자 NSE 박사후 연구원인 황이멍

그렇다면 이 새로운 소재군이 어떻게 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클링 안정성을 동시에 달성했을까요? 답은 암염과 폴리아니온 올리빈이라는 두 핵심 양극 소재를 통합한 데 있습니다. 두 소재를 결합함으로써 각각의 장점을 모두 얻을 수 있었습니다.

또 다른 핵심 요소는 지구상에 풍부히 존재하고 현재 양극에 사용되는 다른 원소보다 훨씬 저렴한 단단하고 은빛을 띤 금속인 망간(Mn)입니다. 

예를 들어, 망간은 코발트(Co)보다 약 30배, 니켈(Ni)보다 5배 저렴하며, 두 원소는 현재 배터리에서 흔히 사용됩니다. 또한, 망간은 더 높은 에너지 밀도를 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. 

“(이러한) 소재가 훨씬 더 풍부하게 존재한다는 점은 엄청난 장점입니다.”

– 재료과학·공학 교수 Li

연구진에 따르면, 이 장점은 탄소 중립 미래에 큰 가치를 제공하며 재생 에너지 인프라가 필요로 하는 요구를 충족시킬 수 있습니다. 

배터리는 전기차를 통한 교통 탈탄소화와 태양·풍력 발전의 간헐성을 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 재생 에너지는 24시간 내내 이용할 수 없기 때문에, 에너지 저장은 이러한 에너지원이 없을 때, 예를 들어 밤이나 흐리고 바람이 없는 날에 전력을 공급하는 데 필수적입니다.

연구진은 코발트와 니켈과 같은 소재가 상대적으로 희귀하고 비용이 많이 든다는 점도 지적했습니다. 이러한 소재를 사용해 전기 저장 용량을 급속히 확대하면 비용 급등과 소재 부족 현상이 발생할 수 있습니다. Li는 이렇게 말했습니다:

“에너지 생산, 운송 및 그 외 분야의 진정한 전기화를 원한다면, 간헐적인 태양광·풍력 전력을 저장할 수 있는 지구에 풍부한 배터리가 필요합니다. 이것이 그 꿈을 향한 한 단계라고 생각합니다.”

현재 소재에서 산소 이동성 장벽 극복

Honda Research Institute USA Inc.와 Lawrence Berkeley National Laboratory의 Molecular Foundry의 지원을 받아, 이 연구는 무질서한 암염 양극이 직면한 주요 과제 중 하나를 해결했습니다.

앞서 언급했듯이, 이 소재는 매우 높은 용량으로 연구되어 왔습니다. 전통적인 양극 소재가 190~200 mAh/g 정도의 용량을 갖는 반면, 이 소재는 최대 350 mAh/g에 달합니다.

하지만 높은 용량을 제공함에도 불구하고, 이 소재는 안정성이 낮습니다. 이는 부분적으로 산소 레독스, 즉 양극 소재 내 산소 원자 주변의 전자 밀도를 활용하는 과정 때문입니다. 

산소 레독스는 양극이 높은 전압으로 충전될 때 활성화되어 산소가 이동성을 갖게 되고, 그 결과 전해질과 반응하여 소재가 열화됩니다. 이러한 현상은 장기간 사이클링 후에 소재를 무용지물로 만들게 됩니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 연구진은 소재에 인(P)이라는 부드럽고 왁스 같은 고체 원소를 도입했습니다. 인은 접착제 역할을 하여 산소를 고정하고 소재 열화를 감소시킵니다. 

하지만 단순히 인을 첨가하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 가장 중요한 혁신은 적절한 양의 인을 추가하는 것입니다. 적절한 양의 P를 첨가하면 “인접한 산소 원자와 함께 소위 폴리아니온을 형성해 양이온 결핍 암염 구조에 고정시킨다”고 Li는 설명했습니다.

산소와 인 사이의 강한 공유 결합 덕분에 연구진은 산소 이동을 차단할 수 있게 되었으며, 이 방법으로 산소가 기여하는 용량을 활용하면서 동시에 좋은 안정성을 달성했습니다.

배터리를 더 높은 전압으로 충전할 수 있는 이 능력은 저장된 에너지를 관리하는 시스템을 단순화하는 데 중요합니다.

“에너지 품질이 더 높다고 말할 수 있습니다. 셀당 전압이 높을수록 배터리 팩에서 직렬 연결해야 하는 셀 수가 줄어들고, 배터리 관리 시스템도 더 단순해집니다.”

– Li

이 연구는 시작에 불과합니다. 팀은 이제 망간, 리튬, 산소 및 인의 비율을 다양하게 조합하고, 실리콘, 황, 붕소와 같은 다른 폴리아니온 형성 원소와의 조합도 탐색할 예정입니다.

앞으로 연구진은 특히 확장성 및 형태에 중점을 두고 소재를 제조하는 새로운 방법을 조사할 것입니다. 현재 연구에서는 고에너지 볼 밀링을 이용한 메카노케미컬 합성을 사용했으며, 이는 약 150nm 정도의 비균일한 형태와 입자를 만들지만, 현재 방법은 실제 규모 확대에 적합하지 않습니다. 

따라서 연구진은 보다 균일한 형태와 더 큰 입자를 얻기 위해 대체 합성 방법을 시도하고 있습니다. 이러한 접근은 소재의 체적 에너지 밀도를 높이고, 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 코팅 방법을 시험해 볼 수도 있습니다. 미래의 방법은 산업적으로도 확장 가능해야 합니다.

또 다른 문제는 전도성인데, 이는 무질서한 암염 소재에 상당량의 탄소를 첨가함으로써 향상되었습니다. 실제로 탄소는 양극 페이스트 무게의 20%를 차지했으며, 소재 자체는 전도성이 좋지 않기 때문입니다. 

따라서 연구진은 당연히 전극 내 탄소 함량을 줄이는 방안을 추가로 조사할 것입니다. 탄소 함량을 낮추면서 배터리 성능을 유지할 수 있다면, 활성 물질 함량을 높여 실용적인 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

이를 위해 연구진은 탄소 나노튜브를 활용하는 방안을 검토하고 있습니다. 탄소 나노튜브를 사용하면 무게 기준 1~2% 수준으로 탄소 함량을 낮출 수 있어 활성 양극 물질을 크게 늘릴 수 있습니다. 현재 연구에서는 구형 나노입자로 구성된 전도성 탄소인 Super P를 사용했으며, 이는 효율성이 낮습니다.

또 다른 개선점은 두꺼운 전극을 사용하는 것으로, 이는 배터리의 실용적 에너지 밀도를 더욱 증가시킬 수 있습니다.

팀이 소재 조성을 최적화하고, 두꺼운 전극을 개발하며, 균일한 코팅을 위한 형태를 개선하고, 탄소 함량을 낮추며, 확장 가능한 합성 방법을 채택하면, DRXPS 양극군은 전기차, 그리드 저장 및 소비자 전자제품 분야에 매우 유망한 후보가 될 것입니다.

배터리 분야를 선도하는 기업들

많은 기업이 이 분야를 발전시키고 있으며, 이로 인해 더 많은 기업이 혜택을 받을 수 있습니다. 

Umicore(UMICY)는 특히 양극 기술에 중점을 둔 배터리 소재 기업으로, 지속 가능하고 첨단 소재 개발에 참여하고 있습니다. 한편, Lithium Americas Corp.(LAC)는 리튬 공급업체이며, Vale(VALE)은 철과 망간의 세계적인 생산업체입니다. 이제 몇몇 주요 기업을 살펴보겠습니다:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

주요 리튬 생산업체인 Albemarle는 배터리 기술을 개발해 에너지 밀도를 높이고 무게를 줄이며 주행 거리를 연장하고 있습니다. 이는 전기차 배터리용 리튬의 세계 최대 생산업체 중 하나입니다. 이 회사는 양극 솔루션, 음극 솔루션, 전해질 솔루션 및 배터리 케이스 등 청정 에너지 수요를 충족시키는 다양한 제품을 제공합니다.

시가총액 98억 4천만 달러인 Albemarle의 주가는 현재 주당 83.66달러이며, 연초 대비 41.6% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -4.73, P/E(TTM)는 -17.67이며, 배당수익률은 1.94%입니다. 2024년 2분기에 이 회사는 순매출 14억 달러와 조정 EBITDA 3억 8600만 달러를 기록했습니다. 영업 현금 흐름은 전년 대비 2억 8900만 달러에서 3억 6300만 달러로 증가했으며, Albemarle는 1억 5천만 달러 이상의 생산성 향상 효과도 달성했습니다.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape는 고체 상태 리튬‑금속 배터리를 개발하는 기업으로, 에너지 저장 혁신을 목표로 하고 있습니다. 이 회사는 무양극 셀 설계를 최초로 개발해 소재 비용을 낮추고 높은 에너지 밀도를 제공했습니다. 올해 QuantumScape는 Volkswagen의 배터리 기업 PowerCo와 파트너십을 체결해 QuantumScape 기술 플랫폼 기반 배터리 셀을 대량 생산할 수 있는 라이선스를 부여받았습니다.

시가총액 27억 5천만 달러인 QuantumScape의 주가는 현재 주당 5.51달러이며, 연초 대비 19.78% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -0.95, P/E(TTM)는 -5.78입니다. 2024년 2분기에 이 회사는 자본 지출 1,890만 달러를 기록했으며, GAAP 영업비용은 1억 3,450만 달러였습니다. 유동성은 분기 말 기준 9억 3,800만 달러였습니다.

결론

배터리의 광범위한 사용과 시장 규모를 고려할 때, 새로운 고급 배터리 기술에 대한 연구와 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 최신 연구에서 새로운 양극 소재는 “1,100 Wh kg⁻¹ 이상의 높은 중량 에너지 밀도와 100 사이클 이상에서 70% 이상의 유지율”을 보여주었으며, 이는 Mn과 Fe와 같은 지구에 풍부한 원소로 만든 배터리 양극의 가능성을 열어줍니다.

리튬이온 배터리가 청정 에너지 전환의 핵심 요소로 여겨지는 만큼, 이러한 연구는 “저렴하고 고성능인 양극 소재”를 개발함으로써 성장과 가격 인하를 지속하도록 보장합니다. 

이는 에너지 저장의 밝은 미래를 시사하며, 환경 영향을 최소화하면서 증가하는 전 세계 수요를 충족시킬 잠재력을 가지고 있습니다.

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