작은 조정으로 큰 변화 – 연성 금속 텍스처가 배터리 혁신인가?

배터리는 어디에나 존재합니다. 현대 기술 시대는 효율적으로 제작된 효율적인 배터리 없이는 발전하거나 번영할 수 없습니다. 배터리는 전기차, 모바일 기기, 재생 에너지 저장 등 다양한 분야에 존재합니다.

성장 수치를 보면, 잠재력은 기하급수적입니다. 예를 들어 2022년부터 2030년 사이에 전 세계 리튬이온 배터리 수요는 거의 7배 증가하여 2030년 4.7 테라와트시에 이를 것으로 예상됩니다. 시장 전문가들은 이 성장의 상당 부분을 전기차의 급증하는 인기도에 기인한다고 보고 있습니다. 전기차는 리튬이온 배터리에 크게 의존합니다. 2024년에는 전기차가 전 세계 리튬이온 배터리 수요의 80% 이상을 차지했습니다.

이러한 엄청난 성장을 지원하려면 배터리 생산을 확대해야 합니다. 생산 규모 확대는 혁신에 의해 뒷받침될 수 있습니다. 좋은 소식은 전 세계 연구자들이 이에 매진하고 있다는 것입니다. 그들은 지속적으로 새로운 재료, 설계, 구성 및 화학을 탐구하고 있습니다.

하지만 이러한 탐구가 사용 가능한 자원을 최적화하고 있는지 지속적으로 확인하는 것도 중요합니다. 이러한 검토 과정에서 연구자들은 금속의 텍스처가 역사적으로 간과되어 왔다는 사실을 발견했습니다.

이러한 간과의 정확한 본질을 설명하면서, UChicago PMEShirley Meng 교수, 분자공학 분야의 Liew 가족 교수는 다음과 같이 말했습니다:

“입자 방향성(텍스처라고도 함)과 이 요소가 충전 가능한 금속 배터리 성능에 미치는 영향을 이해하는 데 격차가 있습니다.”

해결책은 Meng 교수의 에너지 저장 및 전환 연구실과 산업 파트너인 Thermo Fisher Scientific (TMO ) 에서 나왔습니다. 보다 구체적으로는 Meng 교수와 공동 연구진이 작성한 논문을 통해 제시됩니다. 논문 제목은 ‘전기화학 공정에서 연성 금속의 입자 선택 성장’입니다.

더 나은 배터리를 위한 텍스처 실험

‘텍스처’라는 용어는 무작위 분포가 아니라 특정 방향으로 정렬된 입자 방향성을 의미합니다. 플라즈마 초점 이온 빔-전자 후산란 회절(PFIB-EBSD)은 다양한 전기화학 도금 및 스트리핑 조건에서 금속 텍스처를 특성화하는 데 도움을 줍니다.

연구에서¹, 연구자들은 알칼리 금속의 텍스처 형성에서 표면 에너지와 변형 에너지의 경쟁을 강조했습니다. 특히, 전기화학 공정 중 알칼리 금속의 원자 확산 및 표면 에너지 우위가 입자 선택 성장에 어떻게 작용하는지를 이해하려 했으며, 이는 특히 실온에서 금속 양극을 사용하는 전고체 배터리의 동역학적 제약을 설명하는 핵심입니다. 이 연구와 그 통찰의 궁극적인 목표는 인터페이스 엔지니어링을 통해 바람직한 텍스처를 달성하여 높은 전류 밀도에서 도금/스트리핑 효율을 향상시키는 것이었습니다.

연구자들은 금속 배터리에 최적의 텍스처가 무엇인지 이해하기 위해 일련의 단계를 수행했습니다. 그들은 다양한 조건에서 연성 금속 텍스처를 특성화하고, 텍스처 형성을 위한 열역학 이론 및 위상장 모델을 개발했으며, 도금/스트리핑 효율을 향상시키는 바람직한 텍스처를 식별하고, 마지막으로 바람직한 입자 성장을 위한 인터페이스 층을 설계했습니다.

연구가 달성한 것

UChicago PME 연구 협력 교수인 Minghao Zhang 박사의 말에 따르면, 이번 연구의 제1저자인 그는 연구자들이 “리튬 금속과 전류 수집기 사이에 얇은 실리콘 층을 추가하면 원하는 텍스처를 만들 수 있다”는 것을 발견했다고 합니다.

연구자들은 이 변화가 리튬 금속을 사용하는 전고체 배터리에서 배터리의 속도 성능을 거의 10배 향상시켰다고 추론했습니다.

하지만 연구자들이 올바르고 최적의 방안을 찾게 된 계기는 무엇일까요?

연구자들은 배터리 양극에 이상적인 텍스처는 원자들이 표면 평면을 따라 빠르게 이동할 수 있는 형태라고 가정했습니다. 빠른 이동은 배터리의 충·방전 속도를 높이기 때문입니다. 텍스처를 변경하기 위해서는 연성 금속의 표면 에너지 차이가 중요했습니다.

Minghao Zheng 교수에 따르면:

“리튬 또는 나트륨 금속 배터리는 이러한 텍스처에 의존해 높은 속도 성능을 얻으므로, 팀은 연성 금속의 텍스처를 조정하면 전력 밀도를 향상시킬 수 있을지 궁금해했습니다.”

목표 달성은 효과적인 현미경 기술 활용에 크게 의존했으며, 이는 플라즈마 초점 이온 빔-주사 전자 현미경(PFIB-SEM) 내에서 전자 후산란 회절(EBSD) 매핑을 이용한 밀링을 포함합니다. 이 두 방법의 효율적인 결합은 텍스처를 새로운 방식으로 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구에 사용된 현미경 기술의 유용성을 설명하면서, Thermo Fisher Scientific의 수석 시장 개발 매니저인 Zhao Liu 공동 저자는 다음과 같이 말했습니다:

“PFIB-EBSD 조합은 이 연구에 적합합니다. PFIB는 셀 스택 내 관심 영역에 효과적으로 접근하여 결함이 최소화된 고품질 표면을 만들고, EBSD는 연성 금속에 대한 상세한 텍스처 정보를 제공합니다.”

산업 파트너 외에도 연구자들은 LG Energy Solution의 프론티어 연구소와 협력하여 기술 상용화를 목표로 하고 있습니다.

LG Energy Solution의 선임 연구원 이정범 박사에 따르면, 이번 연구는 전기차 및 에너지 저장용 차세대 배터리 개발에 도움이 될 것입니다.

연구자들이 앞으로 목표로 하는 것

앞으로 연구자들은 두 가지 명확한 목표를 가지고 있습니다. 첫째, 테스트 시 사용되는 압력을 현재 상용 배터리의 산업 표준인 5메가파스칼(MPa)에서 1MPa로 낮추고자 합니다. 둘째, Meng 교수의 연구 결과에 따르면 나트륨이 저비용이며 쉽게 구할 수 있는 리튬 대체제로 부상할 가능성이 있어, 텍스처가 나트륨에 미치는 영향을 조사하고자 합니다.

리튬이온 배터리 소재에 대한 기타 연구

현재 연구가 혁신을 제시하지만, 유사한 연구 노력은 드물지 않습니다. 연구 리뷰가 Materials Today에 게재된 바에 따르면, 오늘날 고에너지 밀도, 긴 사이클 수명, 높은 효율성을 가진 리튬이온 배터리가 명확한 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 비용, 에너지 밀도, 전력 밀도, 사이클 수명 및 안전성의 한계를 넓히기 위해 새로운 전극 소재에 대한 연구가 계속되고 있음을 강조했습니다.

연구자들이 주변에서 이용 가능한 유망한 양극 및 음극 소재 옵션을 살펴보는 동안, 많은 소재가 전기 전도성 제한, 느린 리튬 이동, 전해질과의 용해 또는 기타 부정적인 상호작용, 낮은 열 안정성, 높은 부피 팽창 및 취성의 문제를 겪고 있음을 발견했습니다. 이러한 문제에 대한 해결책으로는 시장에 도입된 삽입형 양극이 포함되었습니다. 그러나 전환 소재 기술이 상용화에 이르는 속도는 느렸습니다.

상용화와 규모 확대에 대해 이야기하자면, 이제 이러한 첨단 기술 연구를 통해 큰 성과를 낼 수 있는 기업들로 눈을 돌려야 합니다.

1. 삼성

2024년 8월, 한국의 삼성 SDI는 미국 인디애나 주에 전기차 배터리 공동 공장을 건설하기 위해 제너럴 모터스와 계약을 체결했습니다. 이 계약을 통해 양사는 연간 27기가와트시(GWh) 생산 능력을 갖춘 배터리 셀 제조 공장을 공동으로 건설하기로 했습니다.

2022년 초, 세계 6위 배터리 제조업체인 삼성 SDI와 네덜란드에 본사를 둔 다국적 자동차 제조업체 스텔란티스 N.V.는 미국 인디애나 주를 전기차 배터리 공동 공장 부지로 선정했습니다.

제조업체는 2025년 상반기 스텔란티스의 북미 자동차 공장을 위해 연간 23기가와트시(GWh)의 프리즘형 배터리 셀 및 모듈을 생산할 계획이라고 밝혔습니다.

배터리 생산과 관련해 삼성 SDI는 전기차, 에너지 저장 시스템, 마이크로 모빌리티, 전력 장치 및 IT 장치를 포함한 다양한 솔루션을 제공합니다.

전기차 및 플러그인 하이브리드 전기차(EV 및 PHEV)를 위해 회사는 고용량, 고에너지 밀도, 빠른 충전 배터리를 생산하며, 전고체 배터리 대량 생산에서도 선두를 달리고 있습니다. 에너지 저장 솔루션 분야에서는 가정용, 유틸리티, 상업 및 산업용 솔루션을 재생 에너지와 통합한 배터리 제품부터 무정전 전원 공급(UPS) 솔루션까지 다양하게 제공합니다.

마이크로 모빌리티 분야에서 삼성 SDI는 전동 킥보드, 전동 자전거, 전동 스쿠터와 같은 소형 경량 라스트마일 운송용 배터리를 제조합니다. 이 부문에서 회사는 고급 소재와 부품 기술을 활용해 최고의 배터리를 제공합니다.

전동 자전거용으로 삼성 SDI는 고에너지 밀도와 안전성을 갖춘 배터리를 제조합니다. 이러한 배터리는 더 얇고 가볍습니다.

전동 이륜차(전동 스쿠터 및 전동 오토바이 등)를 위해 삼성 SDI는 원통형 배터리를 개발합니다. 이 배터리는 고용량 소재, 독특한 구조 설계 및 일관된 품질로 제작되어 안전하고 최고 성능, 긴 배터리 수명 및 안전성을 제공합니다.

전력 장치를 위해 삼성 SDI는 고출력, 고용량 배터리를 보유하고 있습니다. 또한 고에너지 밀도, 안정적인 전력 출력 및 긴 배터리 수명을 갖춘 최적의 OPE 배터리 솔루션을 제공합니다. 차별화된 용량 및 출력의 배터리도 제조합니다. 마지막으로, 삼성 SDI는 스마트폰 및 웨어러블을 포함한 IT 기기를 위한 고성능 및 장수명 배터리도 생산합니다.

2025년 1월 말, 삼성은 시장 침체 속에서 2024년 4분기 및 연간 실적을 발표했으며, 연간 매출 16.59조 원(11.55억 달러)과 연간 영업이익 3633억 원을 기록했습니다. 4분기 매출은 3.75조 원으로 ESS 배터리 사업에서 사상 최고 매출을 기록했습니다.

2. LG 에너지 솔루션

2024년 12월, LG 에너지 솔루션은 인도 JSW 에너지와 전기차 및 재생 에너지 저장용 배터리 제조를 위한 합작 투자 논의를 진행했으며, 투자 규모는 15억 달러 이상이 필요합니다. 공개된 보고서에 따르면 두 회사는 LGES가 배터리 제조 기술 및 장비를 제공하고 JSW가 자금을 투자하는 동등 파트너십을 형성하기 위한 초기 계약을 체결했다고 한 소식통이 전했습니다.

전반적으로 이 회사는 에너지 저장 솔루션(ESS) 배터리와 첨단 자동차 배터리로 알려져 있습니다. ESS 부문은 전력망 및 다양한 가정용 제품을 위한 고에너지 및 고출력 제품을 제공합니다. 이러한 배터리는 라미네이션 및 스태킹에 대한 고급 공정 노하우를 적용한 일류 배터리 셀 기술을 기반으로 생산되며, 이는 LG의 독점 기술입니다.

이 배터리는 균일한 에너지 출력, 긴 배터리 수명 및 안정적인 구조를 갖추고 있습니다. LG ESS 배터리는 컴팩트한 크기를 통해 공간 효율성도 향상되었습니다. 고용량 초슬림 폴리머 배터리 셀을 그리드 및 주거용 ESS 개발에 적용함으로써, 회사는 공간 활용을 극대화하고 최소한의 설치 면적을 요구하는 슬림한 제품을 생산합니다.

LG 에너지 솔루션은 전기차 배터리용 셀, 모듈, BMS(배터리 관리 시스템) 및 팩 제품의 선도적인 공급업체이기도 합니다. 이 솔루션에는 가볍고 빠르게 충전되는 고에너지 밀도 배터리가 포함됩니다.

이 배터리들의 다양한 치수는 상업용 차량의 제한된 공간 문제를 해결함으로써 공간 활용을 극대화합니다. 파우치형 배터리 셀은 다양한 길이와 폭으로 생산될 수 있어 배터리 용량을 향상하고 최적화를 가능하게 합니다.

2025년 1월 마지막 주에 LG 에너지 솔루션은 4분기 및 연간 실적을 발표했습니다. 연간 통합 매출은 25.6조 원, 영업이익은 5754억 원으로 각각 전년 대비 24.1%와 73.4% 감소했습니다. 영업이익률은 IRA 세액공제 효과를 포함해 2.2%였습니다.

배터리의 미래

배터리 기술 및 배터리 관리의 미래는 여러 분야에서 개선을 시도할 것입니다. 구체적인 에너지와 에너지 밀도(부피/무게당 저장 에너지 증가), 수명 연장, 인화성 감소, 완전 충전에 필요한 시간 감소, 그리고 균등화된 에너지 비용(LOCE) 감소를 목표로 할 것입니다. (GM )

연구자들은 2019~2030년 기간 동안 리튬이온 배터리의 기술 로드맵을 조사했습니다. 그들은 기존 리튬이온, Gr-Si 양극 또는 Hi-Ni 양극, 전고체 배터리, 그리고 리튬-황/공기 배터리 등 네 가지 가능한 기술 구성을 언급했습니다. 데이터는 새로운 배터리 기술이 다음 10년 안에 기존 리튬이온을 앞지를 것으로 나타났습니다.

새로운 배터리 기술의 등장으로 양극 및 음극 소재 선택이 재검토될 것입니다. 예를 들어 LFP 양극을 사용하는 배터리는 NMC 양극에 비해 에너지 밀도가 낮습니다. 양극 소재 선택은 전체 셀 수준에서 특정 에너지에 큰 영향을 미치기 때문에 중요합니다.

음극 소재 선택도 중요합니다. 일반적으로 그래파이트인 음극 소재는 배터리가 충전될 때 리튬 이온이 머무를 공간을 제공합니다. 저장된 리튬 이온 수는 저장되는 전기 에너지 양과 직접적으로 연결됩니다.

연구자들은 점진적인 전환을 보고 있다 양극 기술에서는 전형적인 니켈 비율 50%에서 NMC와 NCA 배터리 각각 80%와 90%로 이동하고 있습니다. 고니켈 비율 양극이 제공하는 용량 요구에 부응하기 위해, 그래파이트 음극에 소량의 실리콘 산화물 또는 순수 실리콘을 첨가하는 것이 셀 제조업체들 사이에서 선호되고 있습니다.

미래를 재정의할 것으로 예상되는 다섯 가지 새로운 배터리 기술은 NanoBolt 리튬 텅스텐 배터리, 아연-망간 산화물 배터리, 유기실리콘 전해질 배터리, 금 나노와이어 겔 전해질 배터리, 그리고 TankTwo String Cell™ 배터리입니다.

예를 들어 NanoBolt 리튬 텅스텐 배터리는 더 빠르게 충전되고 더 많은 에너지를 저장합니다. 아연-망간 산화물 배터리는 특히 국가 전력망을 지원하는 대규모 에너지 저장에 있어 리튬이온 및 납산 배터리의 효과적인 대안이 될 수 있습니다.

위스콘신-매디슨 대학 화학 교수인 로버트 해머스와 로버트 웨스트는 산업, 군사 및 소비자 리튬이온 배터리 시장을 위해 분자 수준에서 설계 가능한 유기실리콘(OS) 기반 액체 용매를 개발했습니다.

액체보다 연소성이 낮은 겔을 실험하면서, 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스의 연구원들은 금 나노와이어를 망간 이산화물로 코팅한 뒤 전해질 겔로 덮는 시도를 했습니다.

보통 나노와이어는 배터리 사용에 너무 섬세하지만, 이러한 솔루션은 견고해졌으며, 연구진이 발견한 바에 따르면 해당 전극은 200,000 사이클을 견뎌도 충전 능력을 잃지 않았습니다. 이는 기존 배터리의 6,000 사이클과 비교됩니다.

String Cell™ 배터리는 작은 독립형 자체 조직 셀들의 집합으로 구성되었습니다. 각 스트링 셀은 전도성 물질로 덮인 플라스틱 인클로저로 이루어져 있어 다른 셀과 빠르고 쉽게 접촉할 수 있었습니다. 내부 처리 유닛이 전기화학 셀 내 연결을 제어했습니다.

전기차의 빠른 충전을 돕기 위해 배터리 내부의 작은 구체들을 빼내어 서비스 스테이션에서 충전된 셀로 교체했습니다. 스테이션에서는 해당 셀들을 비피크 시간에 재충전할 수 있었습니다.

이러한 솔루션을 모두 활용한다면, 앞으로 여러 배터리 혁신이 우리를 기다리고 있습니다.