보다 안전하고, 저렴하며, 더 강력한가? 알루미늄 배터리의 약속

고용량 배터리는 더 빠르게 충전되고 더 오래 지속되어 휴대용 전자기기, 전기차, 장기 에너지 저장의 미래를 구동하는 핵심입니다.

지난 수십 년간 리튬 이온 배터리가 이 분야를 선도해 왔습니다. 충전식 배터리의 일종인 리튬 이온 배터리는 양극과 음극, 즉 양극과 음극 사이에서 이온이 이동함으로써 충전 및 방전됩니다.

이 배터리에서 사용되는 금속 리튬은 부드럽고 은빛이며 반응성이 높습니다. 모든 금속 중 가장 낮은 밀도를 가지고 있으며, 광물 형태의 화합물에서 발견되며 칠레가 가장 큰 생산국입니다. 칠레는 또한 가장 큰 리튬 매장량을 보유하고 있으며, 그 뒤를 호주와 중국이 잇습니다; 중국은 리튬 이온 배터리 분야에서도 선두주자입니다.

이 배터리를 생산하려면 실제로 막대한 양의 물과 에너지가 필요합니다. 또한 재활용이 매우 어렵습니다.

따라서 리튬 이온 배터리가 스마트폰, 노트북 및 기타 휴대용 기기와 같은 소비자 전자제품, 전기차, 태양광 백업 저장 시스템 등에서 성능을 입증했지만, 시장은 이제 리튬 이온을 능가하고 차세대 기기, 장거리 차량, 전기 항공기 및 그리드 수준 저장을 구동할 수 있는 소재를 찾고 있습니다.

이로 인해 연구자들은 알루미늄에 주목하게 되었으며, 알루미늄은 보다 안전하고 저렴하며 더 강력한 배터리 성능을 보여줍니다.

배터리 발전에 있어 알루미늄의 잠재력

재충전 가능한 알루미늄 배터리를 개발하려는 노력은 수십 년 동안 진행되어 왔지만, 최근 10년 정도에 크게 주목받게 되었습니다. 관심과 연구가 증가하면서 알루미늄 이온 배터리는 충전 및 방전 속도에서 뛰어난 성과를 달성했습니다.

알루미늄 이온 배터리와 관련된 모든 개발은 이 전기양성 금속이 제공하는 탁월한 이점 때문에 중요합니다.

알루미늄의 고유한 특성으로는 가볍고, 부식에 강하며, 높은 열전도성을 갖는 것이 있습니다.

이러한 다재다능함 덕분에 알루미늄은 특히 운송 분야를 포함한 다양한 산업에서 광범위하게 활용됩니다. 알루미늄은 가볍고 강력하여 연료 효율을 향상시키고 배출량을 감소시키기 때문에 자동차, 항공기, 기차 제조에 널리 사용됩니다.

알루미늄의 또 다른 주요 적용 분야는 건설 산업으로, 가공이 쉽고 가혹한 환경 조건을 견딜 수 있기 때문입니다. 알루미늄은 포장, 항공우주, 화학, 군사 및 전기 산업에서도 많이 사용됩니다.

낮은 밀도와 우수한 전기 전도성 덕분에 알루미늄은 전기 전도체, 컴퓨터, 스마트폰, 텔레비전과 같은 장치 및 고압 전선 제조에 이상적입니다.

더 중요한 점은 알루미늄이 지각에서 가장 풍부한 금속 원소라는 것입니다. 저비용 금속인 알루미늄을 재충전 배터리에 사용하면 특히 경제적인 대규모 재생 에너지 저장용 백업 시스템에서 배터리 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리는 아직 이러한 용도에 비해 비용이 너무 높습니다. 비용이 비쌀 뿐만 아니라 인화성 전해질을 포함하고 있어 안전 문제가 발생합니다. 지구상에서 가장 풍부한 금속이자 상업적으로 두 번째로 풍부한 금속(철 다음)인 알루미늄은 여기서 적합한 대안이 됩니다.

저렴함 외에도 알루미늄은 높은 체적 용량을 가지고 있어 리튬보다 4배, 나트륨보다 7배 큰 용량을 제공합니다. 이는 알루미늄이 배터리의 부피당 에너지 밀도를 향상시킬 잠재력을 보여줍니다.

게다가 알루미늄은 불연성이라 전극으로 채택하는 데 더욱 유리합니다. 이 금속을 사용하면 리튬 이온 시스템에서 흔히 나타나는 계면층의 복잡성도 제거됩니다.

하지만 알루미늄이 결함이 없다는 뜻은 아닙니다. 알루미늄 이온 배터리 시스템의 패시베이션, 부식 및 수소 발생은 적용 범위를 제한해 왔습니다. 알루미늄 이온 배터리의 또 다른 과제는 Al³⁺ 이온의 높은 전하 밀도로 인해 확산 동역학이 느려져 배터리의 속도 성능을 제한하는 양극 소재 선택입니다.

이러한 도전에도 불구하고 알루미늄 이온 배터리는 높은 비용용량, 저비용, 경량, 우수한 안전성 및 알루미늄의 풍부함 덕분에 대규모 에너지 저장에 유망한 후보입니다.

실제 적용을 위한 알루미늄 이온 배터리 탐구

항공기의 장거리 비행 및 유틸리티 규모의 에너지 저장과 같은 고에너지 수요를 충족시키기 위한 새로운 배터리 화학 물질이 필요해 알루미늄을 배터리에 적용하는 연구가 오랫동안 진행되어 왔습니다. 기존 배터리는 이러한 시스템을 구동할 만큼 충분한 에너지를 저장하지 못합니다.

약 10년 전, 스탠포드 대학 연구진은 알루미늄 이온 배터리가 안정적이며 장기간 사이클이 가능하다는 것을 최초로 밝혔습니다. 이 알루미늄 이온 배터리는 1분 이내에 완전 충전이 가능하고, 용량 감소가 거의 없는 상태로 최대 7,500회 충·방전 사이클을 수행할 수 있습니다.

호주 퀸즐랜드 대학교 연구진이 지난해 말 수행한 연구는 고체 전해질 계면이라는 AIB 구성 요소와 관련된 기술적 난제를 해결¹했습니다.

알루미늄 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 양극, 음극 및 전해질을 가지고 있으며, 전해질은 양전하 전극과 음전하 전극 사이를 흐르는 알루미늄 이온을 운반합니다.

방전 시 이온은 양극에서 음극으로 이동하여 에너지를 생성하고, 충전 시에는 그 과정이 역전되어 에너지를 저장합니다. 알루미늄 이온 배터리는 충·방전 사이클 중에 단락을 일으키는 수지상 결정(덴드라이트) 형성으로 인해 불안정성을 겪으며, 이는 배터리 고장으로 이어집니다.

연구에 따르면, 알루미늄 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 마찬가지로 수명을 최적화하기 위해 사전 사이클링이 필요합니다. 이러한 독특한 사전 사이클링 요구를 이해하면 배터리 수명을 연장하고 신뢰성을 높이는 설계가 가능해져 실제 적용에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.

몇 년 전 조지아 공대 연구진은 알루미늄 호일을 사용해 전기차가 한 번 충전으로 더 긴 거리를 주행할 수 있는 배터리를 만들었습니다.

이 연구에서 연구진은 알루미늄에 100가지가 넘는 다양한 물질을 소량 첨가하여 특정 “미세구조”를 가진 호일을 만들었습니다. 알루미늄 양극은 기존 양극 소재보다 더 많은 리튬을 저장할 수 있어 에너지가 증가하고, 고에너지 밀도 배터리 제작으로 이어졌습니다.

알루미늄 배터리에 대한 이러한 연구는 미래를 구동할 보다 강력한 배터리 기술의 문을 여는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

알루미늄 배터리 수명을 연장하는 새로운 설계

알루미늄 이온 배터리의 많은 장점에도 불구하고, 최근 발표된 연구² ACS Central Science에 발표된 연구는 비용 효율적이고 환경 친화적인 알루미늄 이온 배터리를 설계하여 지속 가능한 청정 에너지 전환을 지원하는 데 도움이 되었습니다.

전 세계적인 지속 가능성 추진 속에서, 이 연구는 에너지 저장 배터리 기술 발전을 위해 풍부하고 재생 가능한 자원을 탐구해야 한다는 필요성을 강조했습니다.

따라서 연구진은 불연성 실온 염소알루미네이트 기반 이온액체 전해질을 갖춘 재충전 가능한 알루미늄 이온 배터리(AIB)를 선택했습니다. 넓은 온도 적응성, 긴 사이클 수명 및 뛰어난 안전성 덕분에 AIB는 대규모 에너지 저장 시스템에 매우 적합합니다.

하지만 물론, 기존 AIB의 이온액체 전해질은 눈에 띄는 취약점을 가지고 있습니다. 새로운 프레임워크를 통해 연구진은 알루미늄 이온 배터리에서 가장 일반적으로 사용되는 전해질의 부식 문제를 극복하고자 합니다.

전해질인 액체 알루미늄 염화물은 알루미늄 양극을 부식시킬 뿐만 아니라 수분에 대한 높은 민감성으로 인해 이 상태를 악화시킵니다. 이는 안정성을 저하시켜 시간이 지남에 따라 전기 성능이 감소하게 합니다.

이 제한을 없애기 위해 연구진은 알루미늄 이온을 함유한 관성 알루미늄 플루오라이드 염을 전해질에 도입하여 고체 전해질로 전환했습니다. 알루미늄 플루오라이드 염의 3D 다공성 구조는 알루미늄 이온이 전해질을 쉽게 이동하도록 하여 전도성을 높입니다.

연구진은 또한 플루오로에틸렌 카보네이트를 계면 첨가제로 사용했습니다. 전극에 얇은 고체 코팅을 형성함으로써 알루미늄 결정 형성을 방지하고 배터리의 열화를 방지했습니다.

이 두 성분을 통해 팀은 배터리의 습기 저항성 및 열·물리적 안정성을 향상시켰습니다. 이를 통해 고체 전해질 알루미늄 이온 배터리는 섭씨 200도(화씨 392도)까지 견딜 수 있게 되었으며, 날카로운 물체에 반복적으로 찔리는 상황에서도 견고함을 유지했습니다.

배터리 수명에 관해, 연구는 이 배터리가 매우 긴 수명을 가지고 있음을 발견했습니다. 고체 전해질 알루미늄 이온 배터리는 충·방전 10,000 사이클까지 지속되었으며, 초기 용량의 1% 미만만 감소했습니다.

게다가 사용된 알루미늄 플루오라이드는 간단한 세척으로 대부분 회수할 수 있습니다. AlF₃는 약간 성능이 감소한 상태로 다른 배터리에 재활용될 수 있어 배터리 생산 비용을 더욱 낮춥니다.

“이 새로운 알루미늄 이온 배터리 설계는 장기간 지속 가능하고 비용 효율적이며 높은 안전성을 갖춘 에너지 저장 시스템의 잠재력을 보여줍니다. 핵심 소재를 회수하고 재활용할 수 있는 능력은 기술을 더욱 지속 가능하게 만듭니다.”

– Wei Wang, 중국 베이징 과학기술대학 고급 금속학 국가중점실험실

새로운 배터리는 제조 비용을 낮추고 수명을 연장함으로써 알루미늄 이온 배터리의 실용성을 높였지만, 상용화를 위해서는 에너지 밀도, 전해질 안정성 및 수명 주기 측면에서 추가 개선이 필요합니다.

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배터리 시장의 주요 기업들

유망한 차세대 배터리 기술의 등장은 현재 리튬 이온 배터리에 비해 에너지 밀도, 안전성, 비용 및 수명 측면에서 큰 개선을 제공합니다. 이러한 혁신은 현재 기술의 한계를 해결함으로써 에너지 요구 사항을 변화시킬 것으로 기대됩니다.

따라서 이제 배터리 기술의 한계를 뛰어넘으며 향후 큰 성장을 기대할 수 있는 기업들을 살펴보겠습니다.

1. QuantumScape

전 세계가 대안을 모색하고 있는 가운데, 현재는 리튬 기반 배터리가 여전히 선두를 유지하고 있습니다. 이러한 배경에서 QuantumScape Corporation (QS ) 은 전기차 및 기타 응용 분야를 위한 고체 상태 리튬 금속 배터리 기술을 개발하는 선도적인 배터리 기업 중 하나입니다.

기존 리튬 이온 배터리가 한계에 다다르고 있는 상황에서, 이 회사는 업계 최초의 무양극 셀 설계를 개발하여 높은 에너지 밀도, 낮은 소재 비용 및 간소화된 생산을 구현했습니다.

전통적인 리튬 이온 배터리가 폴리머 분리막을 사용하는 것과 달리, QuantumScape는 고체 상태 분리막을 사용합니다. 이를 통해 탄소 또는 실리콘 양극을 리튬 금속 양극으로 교체할 수 있으며, 이는 더 높은 에너지 밀도를 제공해 동일한 부피에 더 많은 에너지를 저장합니다. QuantumScape의 설계에서는 배터리가 무양극 상태이며 방전된 상태로 제조됩니다.

QuantumScape에 따르면, 24층 A0 프로토타입 셀은 95% 이상의 에너지 유지율을 가지고 1,000회 이상의 완전 충·방전 사이클을 완료했습니다. 10월에 회사는 공개했습니다자동차용으로 계획된 첫 상용 제품인 QSE-5를 발표했습니다. 저량 생산이 시작된 QSE-5 B-샘플 셀은 측정된 셀 에너지가 21.6 와트시(Wh)이며, QSE-5 셀은 약 12분 만에 10%에서 80%까지 충전할 수 있습니다.

시가총액 26억 2000만 달러인 QuantumScape 주식은 현재 주당 5.13달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 1.16% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -0.95이며, P/E(TTM) 비율은 -5.38입니다.

최근 보고된 분기인 2024년 3분기 재무 결과에 따르면, 회사는 1,790만 달러의 자본 지출을 했으며, GAAP 운영비는 1억 3,020만 달러, GAAP 순손실은 1억 1,970만 달러였습니다. 분기 말 유동성은 8억 4,100만 달러였습니다.

QuantumScape는 폭스바겐의 배터리 제조업체 PowerCo와 협력하여 QSE-5 기술을 대량 생산에 도입하고 있습니다.

이 기간 동안 회사는 Raptor라는 새로운 분리막 생산 기술을 성공적으로 구현했다고 보고했습니다. 그리고 12월에 회사는 발표했습니다Cobra의 출시를 알렸으며, QuantumScape는 이를 통해 올해 QSE-5의 대량 샘플 제공에 한 걸음 더 나아갈 것이라고 말했습니다. Cobra는 또한 전기차용 고체 상태 배터리 상용화에 대한 중요한 단계로 간주됩니다.

2. Solid Power

2011년에 설립된 Solid Power (SLDP ) 는 DARPA의 자금 지원을 받아 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스에서 분리되었습니다. 수년간 공군 계약을 확보하고 에너지부와 협약을 체결했습니다.

2018년에 회사는 첫 번째 주식 기반 자금을 조달했으며, 2021년에는 BMW 그룹, 포드 자동차 회사, Volta Energy Technologies가 주도하는 1억 3,500만 달러 투자 라운드를 발표했습니다.

포드와 BMW 그룹은 이후 Solid Power와 기존 공동 개발 계약을 확대하여 향후 전기차에 사용할 모든 고체 상태 배터리를 확보했습니다. 그 전 해에 Solid Power는 320 Wh/kg, 20Ah 리튬 금속 셀을 생산했으며, 이는 상용 리튬 이온 배터리의 특수 에너지보다 우수하다고 보고했습니다.

이 회사는 차세대 전고체 배터리 기술 개발에 참여하고 있으며, 이는 미래 모바일 전력 시장을 혁신할 잠재력이 있다고 말합니다. 특히 전기차용 황화물 기반 고체 전해질에 집중하고 있으며, 목표 비용은 kWh당 85달러입니다. 목표는 2028년까지 연간 80만 대 전기차에 배터리 셀을 공급할 수 있도록 전해질 생산을 확대하는 것입니다.

시가총액 2억 6,877만 달러인 Solid Power 주식은 현재 주당 1.50달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 21.16% 하락했습니다. 이 회사는 2021년 12월 말에야 나스닥에 상장되었습니다. EPS(TTM)는 -0.47이며, P/E(TTM) 비율은 -3.14입니다.

최근 보고한 재무 결과인 2024년 3분기에 Solid Power는 470만 달러의 매출을 기록했으며, 이는 전년 동분기 대비 170만 달러 감소한 수치입니다. 매출 감소는 주로 BMW와의 마일스톤 완료 때문이었습니다. 해당 기간의 운영비는 생산 비용 증가, 셀 및 전해질 개발 비용, 운영 규모 확대 및 실행으로 인해 상승했습니다. 그러나 유동성 상황은 견고했으며, SolidPower는 분기 말 총 유동성 3억 4,810만 달러를 보유했습니다.

이 기간 동안 회사는 전해질 혁신 센터(EIC)에서 사전 파일럿 전해질의 제조 공정을 개선하기 시작했습니다.

가장 최근에 Solid Power는 황화물 기반 고체 전해질 소재의 지속적인 생산을 위해 미국 에너지부로부터 5천만 달러의 자금을 확보했다고 발표했습니다. 지원 계약의 일환으로 Solid Power는 장비 설치를 지원하기 위해 자체 자금 6천만 달러를 투입할 예정이며, 이는 회사의 제조 규모를 강화할 것으로 기대됩니다.

결론 

리튬 이온 배터리는 여전히 많은 일반 소비자 전자제품, 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS)에서 최고의 위치를 차지하고 있습니다. 이러한 배터리의 채택이 증가하는 이유는 높은 에너지 밀도와 성숙한 산업 생산 시스템 때문이지만, 풍부하고 재생 가능한 에너지를 전력망에 통합하려면 더 나은 솔루션을 찾아야 합니다.

태양광 및 풍력 에너지의 장기 저장에는 대형 배터리가 필요하지만, 리튬 이온 배터리는 비용이 너무 높아 이 작업에 적합하지 않습니다. 또한 인화성으로 인해 상당한 안전 위험이 존재합니다. 신뢰할 수 있는 대규모 에너지 저장 시스템의 잠재적 대안은 재충전 가능한 알루미늄 이온 배터리이며, 이는 낮은 비용, 향상된 안전성 및 높은 체적 용량으로 유망한 대안을 제공합니다.

전해질 안정성 및 배터리 수명에 대한 진전으로 알루미늄 이온 배터리는 대규모 에너지 저장, 전기차 및 그 이상에서 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 상용화 가능성에 대한 과제가 남아 있지만, 지속적인 연구가 이러한 배터리를 실제 적용에 가깝게 만들고 있으며, 곧 고에너지 밀도와 저렴한 배터리에 대한 미래 사회의 요구를 충족시킬 수 있을 것입니다.

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