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'리튬 이온'통합검색 결과 입니다. (30건)

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가볍고 성능 높인 차세대 배터리 온다…LG엔솔, 개발 박차

LG에너지솔루션이 에너지 용량과 출력, 무게, 원가 등에서 현 리튬이온 배터리 성능을 한 단계 뛰어넘는 차세대 배터리 개발에 집중하고 있다. 손권남 LG에너지솔루션 차세대전지 부문 담당은 10일 서울 양재 엘타워에서 개최된 'NGBS 세미나'에서 연구개발(R&D) 동향을 공유했다. 전고체 배터리, 리튬황 배터리, 소듐이온 배터리 등을 차세대 배터리로 언급했다. “전고체 핵심 '고체 전해질' 이온전도도 업계 최고 수준 확인” 배터리 업계는 에너지 밀도와 출력 및 안정성 등에서 리튬이온 배터리를 크게 뛰어넘는 전고체 배터리의 상용화 추진 상황에 주목하고 있다. 전고체 배터리는 우수한 성능 때문에 '꿈의 배터리'로 기대를 받았지만 기술적 난이도가 높아 수십 년간 상용화에 이르지 못했다. 그러나 최근 기업들이 수 년 내 상용화를 계획하는 등 전고체 배터리의 등장이 머지 않았다는 전망이 힘을 얻고 있다. LG에너지솔루션도 황화물계 전고체 배터리를 오는 2030년까지 상용화할 계획이다. 전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 손권남 담당은 이를 위해 여러 소재 혁신이 필요한 상황이라고 언급했다. 이런 혁신 기술 중 하나로, 양극과 고체 전해질 간 계면을 보호하는 코팅 물질을 새로 개발했다고 밝혔다. 손권남 담당은 “기존 레퍼런스 물질을 사용한 배터리보다 수명과 에너지 출력 등에서 더 우수한 성능을 보이는 것을 확인했다”고 첨언했다. 고체 전해질의 낮은 이온 전도도도 기술적 난제 중 하나다. 이온 전도도가 높아야 에너지 출력과 충전 성능을 높일 수 있다. LG에너지솔루션은 손 담당은 “자체 개발한 아지로다이트 계열 황화물계 고체 전해질의 이온 전도도가 세계 최고 수준인 것을 내부적으로 확인했다”고 밝혔다. 반면 아직 극복해야 할 기술 난제도 상당하다. 손 담당은 “현 리튬이온 배터리 대비 10배 높은 수준의 가압 공정이 필요하고, 황화물계 고체 전해질이 수분에 매우 취약하기 때문에 가공비를 낮추고 소재 안정성을 높이기 위해선 내수분성을 개선하는 소재 혁신이 필요한 상황”이라고 설명했다. LG에너지솔루션은 고전압을 구현하는 데 특화된 배터리 구조인 '바이폴라'를 반고체 및 전고체 배터리에 구현하기 위한 R&D를 추진 중이다. 손 담당은 “전자의 이동 경로가 매우 짧아지면서 급속 충전이나 방전 시 발열 관리에 유리할 것으로 보고 있다”며 “대면적화하면 부품 수도 50% 수준까지 줄일 수 있어 배터리 팩 내 공간 활용률을 높일 수 있고, 전기차에 적용하면 주행 거리와 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라고 소개했다. 전기차 외 고전압을 요구하는 ESS나 전기선박에도 활용될 수 있을 것이라고 전망했다. “리튬황 배터리, kg당 500kWh 구현"…소듐이온 배터리 조기 출시 시사 LG에너지솔루션은 리튬이온 배터리 무게 대비 에너지 밀도가 1.5배 높은 리튬황 배터리도 2027년 상용화 목표로 개발하고 있다. 손 담당은 “kg당 400~600kWh의 에너지 밀도를 구현할 수 있을 것으로 보고 있고, 500kWh 수준까지는 개발 가능한 단계”라며, “황이 매우 저렴하기 때문에 하이니켈 리튬이온 배터리 대비 원가를 30~50% 절감할 수 있다”고 강조했다. 손 담당은 무게가 가볍다는 특성상 도심항공교통(UAM) 등 항공 분야에 우선 공급될 것으로 전망했다. 손 담당은 “리튬황 배터리 구현을 위한 양극재를 개발했고, 고안정성과 고출력을 내기 위한 전해질 기술도 자체적으로 보유하고 있다”고 소개했다. 현재는 리튬이 비교적 낮은 가격에 거래되고 있지만, 모빌리티 부문에서 전동화가 상당 수준으로 진행되면 수요 대비 공급이 부족해질 전망이다. 업계에선 보급형 리튬이온 배터리를 대체할 배터리로 소듐(나트륨)이온 배터리 연구도 활발히 진행되고 있다. LG에너지솔루션도 그 중 하나다. 손 담당은 “소듐은 메탈 중 두 번째로 매장량이 많다”며 “이런 풍부한 자원을 토대로 지속 가능성 관점에서 가격 경쟁력을 갖출 수 있는 소듐이온 배터리 개발이 필요하다”고 설명했다. 소듐이온 배터리는 원재료가 저렴할 뿐 아니라 충격에도 매우 안전하고, 저온 환경에서도 성능이 잘 유지될 뿐 아니라 열 폭주에 따른 화재 위험으로부터 안전한 것으로 평가된다. 그러나 낮은 에너지 밀도가 단점으로 꼽힌다. 시장에 다수 보급된 LFP 배터리 대비 규모의 경제가 형성되지 않아 현 시점에선 가격 경쟁력도 LFP 배터리에 비해 밀린다. 손 담당은 “고용량 양극재로 소듐이온 배터리 에너지 밀도를 높이는 연구를 진행하고 있다”며 “또 하나의 방법으로 저희가 타사 대비 기술력이 우수한 건식 공정도 접목해 비용을 더욱 절감하려 한다”고 언급했다. 이어 “원통형 배터리로 구현하기 어려운 전고체 배터리와 달리, 폼팩터를 다양하게 접목할 수 있는 것도 소듐이온 배터리의 장점”이라며 “기존 리튬이온 배터리 공정 라인을 100% 활용할 수 있다”고 했다. 소듐이온 배터리의 경우 다른 차세대 배터리보다 조기에 시장 출시가 이뤄질 것으로 내다봤다. 손 담당은 “무정전 전원 장치(UPS) 등 고출력을 요하는 시장에 조기 출시하려고 최선을 하고 있다”고 말했다.

2025.04.10 15:15김윤희

리튬이온배터리 수명 늘리려면..."완전방전 꼭 피해야"

리튬이온배터리는 쓰다보면 수명이 급격히 줄어들 때가 있다. 주 원인은 두 가지다. 과충전과 과방전이다. 국내 연구진이 특히, 완전방전이 배터리 수명을 극도로 저하시킨다는 사실을 과학적으로 규명했다. POSTECH (포항공과대학교)은 친환경소재대학원 배터리공학과 홍지현 교수 연구팀이 성균관대 김종순 교수 연구팀과 리튬이온배터리의 사용 과정에서 발생하는 새로운 열화 메커니즘을 발견했다고 31일 밝혔다. 이 연구는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'의 표지 논문으로 선정됐다. 연구에는 논문 제1저자로 이름을 올린 POSTECH 임국현 박사와 KIST 전승윤 연구생(박사과정)이 참여했다. 전기자동차 등에 쓰이는 리튬이온배터리는 니켈, 망간, 코발트로 이루어진 삼원계 양극재를 주로 사용한다. 최근 경제성을 높이기 위해 비싼 코발트 대신 니켈 함량을 높이는 추세지만, 니켈 함량이 높아질수록 배터리 수명이 빨리 줄어든다. 그동안 배터리 성능 저하는 주로 과충전 과정에서 발생한다고 알려져 왔다. 하지만 안정적인 전압에서도 배터리 성능이 저하되는 현상은 설명하지 못했다. 연구팀은 이 수수께끼를 풀기 위해 배터리 방전(사용) 과정에 주목했다. 연구팀은 배터리를 재충전하지 않고 오래 사용하는 경우 양극재 표면의 산소가 빠져나가는 '준-전환 반응(quasi-conversion reaction)'이 발생한다는 것을 발견했다. 임국현 박사는 "이 반응이 배터리 방전과정 중 3V 근처에서 일어난다"며 "표면의 산소 일부가 리튬과 결합해 리튬산화물을 형성하고, 이렇게 만들어진 리튬산화물은 배터리 내부 전해질과 반응해 가스를 발생시키고 배터리 성능을 떨어뜨린다"고 말했다. 연구팀은 니켈 함량이 높을수록 이 현상이 더욱 심하게 나타나며, 배터리 대부분의 용량을 소진할 정도로 오래 사용하는 경우에도 배터리가 부풀어 오르는 등 성능 저하가 가속화된다는 것을 확인했다. 니켈 함량이 90% 이상인 고니켈 배터리로 실험한 결과, 준-전환 반응이 발생할 때까지 사용한 배터리는 250회 사용 후 남은 용량이 3.8%에 불과했지만, 사용 정도를 조절한 배터리의 경우 300회 사용 후에도 73.4%의 용량을 유지했다. 완전방전만 시키지 않아도 배터리 성능을 어느 정도 유지 가능하다는 얘기다. 임 박사는 "이 문제를 해결하는 방법이 생각보다 간단하다"며 "배터리 사용률을 최적화하는 것만으로도 배터리 수명을 크게 늘릴 수 있다. 업계가 제품 설계단계에서 검토하면 될 것"이라고 덧붙였다. 연구를 이끈 홍지현 교수는 "실제 배터리 사용 과정인 방전이 미치는 영향은 그간 간과됐다"라며, "이번 연구는 더 오래 쓸 수 있는 배터리를 만들기 위한 중요한 개발 방향을 제시했다"라고 전했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업 (R&D, 배터리특성화대학원지원사업), 한국산업기술평가관리원 이차전지첨단전략 산업, 글로벌협력지원사업 및 수요기업 맞춤형 고출력축전지(슈퍼커패시터) 성능 고도화기술개발사업의 지원을 받았다.

2025.03.31 12:59박희범

NST, 국가특임연구원 1호로 LG화학 출신 김명환 박사 임용

우리나라 첫 국가특임연구원으로 LG화학 출신의 김명환 박사가 한국화학연구원 차세대 이차전지 전략연구단장으로 임용됐다. 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회는 과학기술분야 정부출연연구기관(출연연) 1호 국가특임연구원 타이틀을 김명환 단장이 차지했다고 28일 밝혔다. 국가특임연구원은 '과학기술분야 정부출연연구기관 운영에 관한 규정'에 따라 석학이나 실적 등이 탁원한 연구자를 3년 이내 기한으로 채용하는 제도다. 올해 처음 도입됐다. 연장도 가능하다. 김 단장은 서울대 공업화학과 76학번이다. KAIST에서 석사학위를 취득한 뒤 미 애크런대학교에서 고분자공학으로 박사학위를 받았다. 100% 수입에 의존하던 리튬이온전지를 내재화하는 기틀을 마련했다. 2000년대에는 이차전지 종주국인 일본을 제치고 세계 최초로 전기차용 리튬이온전지를 상용화했다. 화학연에서는 올해 과기정통부가 선정한 글로벌 TOP 전략연구단인 '차세대 이차전지 전략연구단'을 이끈다. 이창윤 제1차관은 "출연연이 국가연구개발기관으로서 다양한 혁신 주체가 협력하는 산·학·연 역량결집 거점이 되어야 한다"며 "국가특임연구원 임용을 지속 확대해 나갈 계획"이라고 말했다.

2025.03.28 18:18박희범

전기차 리튬이온배터리, 15분에 81%까지 "충전"

국내 연구진이 전기차 리튬이온 배터리를 15분에 81%까지 고속 충전하는데 성공했다. KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀과 새로운 전해질 용매 '아이소부티로니트릴(isoBN)'으로 고이온 전달성 전해질 시스템을 개발했다고 17일 밝혔다. 이 소재를 적용할 경우 기존 리튬이온전지 전해질에 사용되는 에틸렌 카보네이트(EC) 전해질 대비 점성과 이온전도도를 크게 개선, 표준용량 기준 대비 15분내, 81%까지 상온 충전 가능하다고 연구진은 설명했다. 기존의 EC 전해액은 높은 점성(3.38 cP), 강한 용매화(Solvation) 특성, 큰 결정립으로 구성된 음극 계면층을 만들어 고속 충전 시 리튬이온이 원활하게 이동하거나 흑연 음극 층상 구조로 들어가지 못하는 단점이 있다. 또한, 음극 계면층 위 또는 음극판 상단부(분리막과 접촉하고 있는 부분)에 금속 리튬이 전착된다. 이러한 전착 리튬은 충·방전이 불가능한 비가역적 리튬으로 배터리 수명 단축과 단락에 의한 화재 발생 위험을 높인다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 아이소부티로니트릴을 배터리 전해질에 새로 도입했다. 실험결과 EC 전해질 대비 55% 낮은 점성(1.52 cP), 54% 높은 이온전도도(12.80 S/cm)를 나타냈다는 것이 송채은 연구생(박사과정)의 부연 설명이다. 이 전해질은 실험에서 리튬이온의 탈용매화 에너지를 크게 감소시켜 15분 고속 충전 300회 사이클에서도 음극 상단부에 비가역성 리튬전착 없이 94.2%의 매우 높은 용량 유지율을 나타냈다. 연구팀은 또 X선 광전자 분광법과 비행시간 이차이온 질량 분석 등으로 음극 계면층의 조성과 리튬이온의 이동 경로 등을 정밀 분석했다. 전기화학적 변형 현미경(ESM)을 이용해 전해액 조성에 따라 리튬이온 전도도가 달라지는 것과 음극계면층에서 리튬이온이 이동하는 것을 세계 최초로 영상화했다. 최남순 교수는 "음극 계면층의 결정립 크기와 배열상태 및 전해질의 용매화 구조가 리튬이온전지 고속 충전 시간에 영향을 주는 핵심 요소라는 것을 확인했다"며 "상온 및 영하 10도에서 고속 충전이 가능해질 것"으로 기대했다. 상용화와 관련해 최 교수는 "검증만 된다면, 원통형 전지 쪽에는 적용이 가능할 것"으로 내다보며 "소재 경제성도 좋아 해볼 만 하다"고 언급했다. 연구는 생명화학공학과 최남순 교수와 신소재공학과 홍승범 교수(이상 교신저자)와 송채은, 한승희, 최영우 연구생(이상 제1저자)이 진행했다. 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(3월 11일)에 등재됐다.

2025.03.17 09:49박희범

차세대 전고체전지 언제 나올까…전기연·(주)대주전자재료 상용화 시동

한국전지연구원이 지난 2021년 개발한 고체 전해질 성능을 획기적으로 업그레이드해 대량 생산을 위한 초석을 마련했다. 당시 이 기술은 (주)대주전자재료가 이전받았다. 연구를 주도한 하윤철 차세대전지연구센터장은 "4년전 고체전해질 제조 방식에 공침 기술을 세계 최초로 도입했다"며 "이번 업그레이드 기술은 전고체전지를 저렴한 비용으로 대량생산하는 시대를 활짝 여는 마중물이 될 것”이라고 밝혔다. 연구팀은 지난 2021년, 고가의 황화리튬(Li2S) 없이 원료들을 한꺼번에 용기에 넣어(One-pot) 용액 공정으로 고체전해질을 대량으로 제조하는 '공침법'을 제안해 주목받았다. 공침법은 원료를 고르게 용액 속에 녹여내고, 이를 침전시킨 후 필터로 걸러내는 과정이 핵심이다. 이번에는 이의 성능을 획기적으로 개선했다. 대학과 업계가 협력해 공침법 원리를 세밀히 분석한 뒤 최적화했다. 이 연구에는 KAIST 변혜령 교수팀과 백무현 교수팀, 포스텍 서종철 교수팀이 참여해 중간산물 화학적 분석과 양자 계산 및 음이온 질량 분석을 진행했다. 또 ㈜대주전자재료는 실제 고체전해질 양산에 적용될 연속 공정에 관련 기술을 접목했다. 연구결과 고체전해질 생산 시간은 14시간에서 4시간으로 대폭 줄였다. 최적으로 합성된 고체전해질 품질도 향상됐다. 기존 제조법들은 양산화(스케일업, Scale-up) 과정에서 낮은 이온전도도를 보여 고질적인 문제가 됐었다. 하지만, 이번 업그레이드형 공침법을 양산화 과정에 적용하면 고체전해질의 이온전도도는 5.7mS/cm를 기록해 액체전해질 실제 전도도(3~4 mS/cm) 수준을 넘어선다. 또한, 해당 고체전해질을 스마트폰 전지의 5분의1 수준에 해당하는 700mAh 용량의 전고체전지 파우치셀에 적용해 상용 리튬이온전지(270Wh/kg)보다 높은 에너지 밀도인 352Wh/kg를 달성했다. 이와함께 전고체전지를 1천 번 충·방전한 실험 결과도 80% 이상의 용량을 유지해 안정적인 수명도 확인했다. 하윤철 센터장은 "이번 기술이 고체전해질 합성뿐만 아니라 다양한 기능성 코팅막 제조에도 적용될 수 있음을 확인했고, 최근 특허 출원까지도 마쳤다"고 설명했다.

2025.02.10 09:01박희범

ETRI, 폭발없는 차세대 전고체이차전지 상용화 "코앞"

폭발 위험없는 전고체이차전지 핵심기술이 개발됐다. 전고체이차전지는 리튬이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목 받는다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 제조 공정이 간단하면서도 얇고 견고한 고체 전해질막을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구성과는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 '스몰'지 온라인에 지난해 말, 표지논문으로 게재됐다. 일반적인 전고체 이차전지에는 막 내구성을 높이기 위해 두께가 수백 ㎛에서 1㎜까지 두껍게 사용한다. 그러나 이 같이 두껍게 제조할 경우 에너지 밀도 손실이 크게 발생한다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 기계적인 힘을 가할 때(전단) 쉽게 섬유화하는 바인더 소재를 기반으로 용매를 쓰지 않는 건식공정으로 초박막형 고체전해질막을 제작했다. 분리막 두께는 기존에 상용화된 리튬이온전지(10~20㎛) 범주에 들어가는 18㎛다. 연구진은 "셀 부피를 대폭 감소시켜 고에너지밀도 및 고성능을 구현했다"며 "1㎜ 두께의 후막형 고체전해질막 대비 최대 10배 이상 에너지 밀도를 높인 셈"이라고 설명했다. 연구진은 충·방전 간 이온전달속도를 향상시킬 경우 동시에 셀 부피 및 무게를 대폭 줄일 수 있어 고에너지 밀도를 갖는 전고체 이차전지 개발이 가능할 것으로 예상했다. 연구진은 또 바인더 소재의 분자량과 견고하게 얽힘 정도 간 상관관계를 규명하고, 공정 표준도 제시했다. 특히,고분자 바인더의 분자량과 섬유화시 얽힘 정도의 상관관계를 구조 분석을 통해 정량화했다. 전단 과정에서 공정 온도 및 시간을 최적화해 최대 98%의 고분자 바인더 섬유화를 유도, 강한 얽힘 구조의 바인더 네트워크를 형성시켰다. 스마트소재연구실 박영삼 박사는 “가격경쟁력을 갖춘 전고체 이차전지 상용화 가능성이 높을 것"으로 내다봤다. 연구책임자인 스마트소재연구실 신동옥 박사는 "그동안 난제였던 고체전해질막의 초박막화를 간단하고 빠른 공정으로 해결한 것"이라며 "초박막 고체전해질막이 적용된 파우치형 셀을 제조, 안정적인 충·방전 결과도 확인했다"고 말했다. 신 박사는 또 "실험실에서 연구하는 고체전해질막 두께는 보통 500㎛ 수준"이라며 "그런 의미에서 보면 이번에 공개한 18㎛는 상용화가 가능한 두께"라고 덧붙였다. ETRI는 이번 연구결과를 바탕으로 이온전도 성능 향상 및 전극과의 안정적인 계면 제어를 위한 연구를 진행할 예정이다. 이 연구는 ETRI 신동옥 박사와 박영삼 박사가 교신저자로, UST 윤석윤 석·박통합과정생이 1저자로 참여했다. ETRI 자체 사업과 산업통상자원부, 국가과학기술연구회 지원을 받았다.

2025.01.16 10:46박희범

WCP, 포스코 아르헨티나 리튬 공장에 이온교환막 공급

이차전지 분리막 기업 더블유씨피(WCP) 관계사 더블유스코프코리아(WSK)는 최근 가동을 시작한 포스코홀딩스의 아르헨티나 수산화리튬 생산 공장에 자체 개발한 이온교환막을 단독 공급했다고 25일 밝혔다. WSK의 이온교환막은 지난 10년을 투자해 독자 개발한 제품이다. 리튬은 염호에서 태양광을 이용해 자연 증발시키는 방법을 사용해 추출할 수 있다. 그러나 약 1년의 시간이 소요되고 불순물이 포함되는 문제가 따른다. 이 때문에 전기차와 에너지저장장치(ESS) 배터리에 활용하려면 탄산리튬, 수산화리튬으로 생산하는 공정이 추가된다. WSK는 이온교환막 사용 시 전기적 특성을 이용해 염호에서 리튬만 추출할 수 있다고 소개했다. 향후 글로벌 전기차 시장이 급성장하면 고밀도, 고용량의 수산화리튬 수요가 큰 폭으로 성장함에 따라 이온교환막 사용도 늘어날 것으로 기대했다. 그 외 응용 분야도 수처리, 수전해, 에너지저장, 수소모빌리티 등 활용 범위가 광범위하다는 설명이다. 이온교환막은 매 2~3년마다 교체가 필요한 소모품으로 지속적으로 매출 발생도 가능하다고 덧붙였다. WSK 관계자는 “초격차 기술력과 대량 양산 기술을 확보해 최선을 다하겠다"고 밝혔다.

2024.10.25 19:44김윤희

제주대, 과황산염·알루미늄으로 리튬배터리 대체 가능성 확인

연료전지나 베터리 제조에 알루미늄 소재를 이용할 경우 친환경적이고 경제적이라는 것은 널리 알려졌지만, 이를 구현하기 위해서는 몇 가지 풀어야할 숙제가 있다. 이를 국내 연구진이 해결의 실마리를 내놨다. 상용화하면 파급력이 클 것으로 기대된다. 한국연구재단은 제주대학교 김상재 기계시스템공학과 교수 연구팀이 신개념 전기화학반응 설계를 통해 중소형 모빌리티 전력공급원으로 활용 가능한 알루미늄 기반 전기화학에너지 시스템(Al-EES)을 개발했다고 7일 밝혔다. 이 시스템은 제조 비용이 저렴하고, 친환경적인데다 고효율이라는 장점이 있다. 기존에 많이 사용하는 리튬이온 배터리는 폭발 위험성과 리튬 희소성 등으로 제조 비용이 상대적으로 크다. 연구팀은 금속과 공기를 조합하는 Al-EES에 주목했다. 리튬이온배터리보다 에너지밀도가 ㎏당 5배 이상 높으면서도 안정성이 우수하다. 이산화탄소 등 환경유해요소를 배출하지 않는다. 그러나 상용화를 위해서는 알루미늄의 부식, 대체산소 환원반응을 위한 촉매 등을 해결해야 한다. 연구팀은 효율적인 전자수용체와 부식방지제 역할을 동시에 수행하는 과황산염(S2O82-)을 Al-EES의 양극액으로 활용했다. 이를 통해 양극설계를 단순화했다. 화학반응을 돕는 플라티늄이나 이리튬 등 고가의 촉매 대신 과황산염이 그 역할을 하도록 했다. 과황산염의 또다른 특징도 발견했다. 알루미늄을 음극재로 쓰면 부식으로 열화와 표면에 알루미늄 옥사이드가 증착되면서 제기능을 못하는데, 과황산염이 알루미늄 보호막 역할을 한다는 사실을 처음 확인했다. 테스트 결과 과황산염을 적용한 Al-EES의 에너지 밀도는 2천650Wh/㎏로 기존 Al-공기 배터리 (1,470Wh/㎏) 대비 1.8배 이상 증가했다. 김상재 교수는 "안정적인 전압출력(~2V)과 최대 방전 77시간을 기록했다"며 "새로운 개념의 전기화학적인 전력원 개발 아이디어를 실제 시스템으로 구현했다는 의미가 있다"고 설명했다. 김 교수는 "상용화 가능성을 염두에 두고, 향후 연구개발 사업을 계속 이어갈 계획"이라고 덧붙였다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원 사업으로 수행됐다. 논문 제1저자는 제주대 나노재료 및 시스템연구실 에루말라이 비자야구말 연구원이다. 연구성과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)'에 화제 논문(hot article, 8월11일자 온라인)에 실렸다.

2024.10.07 12:01박희범

삼성전기, 초소형 전고체 배터리 첫 개발…고객사 테스트 돌입

삼성전기가 '꿈의 배터리'라 불리는 전고체 배터리 개발에 성공했다. 현재 웨어러블 시장을 겨냥해 고객사와 품질 테스트를 진행 중인 것으로 알려졌다. 23일 업계에 따르면 삼성전기는 최근 웨어러블 디바이스용 초소형 전고체 배터리를 세계 최초로 개발했다. 이번에 개발한 전고체 배터리는 산화물계 소형 전고체 배터리다. 에너지 밀도는 200Wh/L급의 업계 최고 수준이다. 이는 리튬 이온 배터리보다 작은 사이즈로도 동등 수준의 에너지 밀도를 구현한 것으로, 삼성전기는 현재 시제품 평가 등 고객사 프로모션을 진행하고 있다. 전고체 배터리는 충방전에 필요한 전해질을 불연성 고체로 사용해 안전하고, 외부 충격에 견고하며 다양한 형태로 제작할 수 있고 초소형 크기로도 구현할 수 있다. 내부에 얇은 판을 말아서 배터리를 만드는 리튬 이온 배터리는 초소형화 제품의 경우 판이 접히는 부분에 주름 발생할 수 있고, 충전시 내부 부피 팽창으로 여분의 추가 공간이 필요해 초소형화에는 한계가 있다. 삼성전기가 개발한 산화물계 전고체 배터리로 초소형화의 한계를 극복했다. MLCC 공정과 유사하게 전극과 고체전해질 재료를 얇게 인쇄해 번갈아 쌓아 올린 후 절단하기 때문에 제작과정에서 주름이 발생하지 않는다. 또한 충전시 부피 변화도 매우 작아 여유공간이 필요 없으며, 리튬이온전지에서 필요한 분리막도 필요하지 않아 초소형화 구현에 성공했다. 삼성전기는 산화물계 소형 전고체 배터리를 개발하는데 MLCC의 기술 노하우를 적극 활용했다. 삼성전기는 산화물계 전고체 배터리 관련 다수의 특허를 확보해 사업화를 대비해 왔다. 최근 3년간 해외에 출원한 특허 수는 40여건에 이른다.

2024.09.23 09:14장경윤

[유미's 픽] 배터리 화재로 '카톡 먹통' 또 될라…데이터센터, '열폭주' 방지 안간힘

SK C&C 데이터센터 화재로 인한 '카카오톡 먹통' 사태가 발생한 지 어느덧 2년여가 된 가운데 원인이 된 리튬이온배터리를 활용하고 있는 업체들의 대응 방안에 관심이 쏟아지고 있다. 최근 리튬배터리로 인한 화재가 빈번하게 발생하면서 데이터센터의 안전성에 대한 우려도 높아지는 분위기다. 20일 업계에 따르면 지난 2022년 10월 15일 발생 SK C&C 데이터센터 화재 원인은 비상 전원장치용 리튬이온 배터리 때문인 것으로 드러났다. 양극, 음극, 분리막, 전해액 등으로 구성되는 리튬이온 배터리는 분리막이 손상되면 양극과 음극이 접촉해 과열되면서 화재와 폭발이 일어난다. 또 불이 나면 다량의 불산가스를 발생시키기 때문에 진화 인력의 화재 현장, 특히 건물 내부 진입을 어렵게 만든다. 판교 데이터센터 역시 배터리에서 시작된 불이 주변 배터리 온도를 올려 '열폭주 현상'을 일으킨 탓에 화재를 진압하는 데만 8시간이 걸렸다. 이 일로 카카오는 최소 275억원의 피해를 입었다. 또 카카오톡뿐 아니라 데이터센터 화재로 서비스 이용에 제한을 받았던 카카오 T, 카카오게임즈 및 카카오엔터테인먼트의 콘텐츠 사용자 등에 대한 피해 보상도 지난해 6월 30일 완료했다. 이 일은 카카오의 이중화 조치가 미흡한 상태에서 카카오 주요 서버들이 모여 있는 SK C&C 데이터센터 내 화재가 발생했다는 점에서 파급이 컸다. 배터리 온도 등을 모니터링하는 시스템(BMS)이 제대로 작동하지 않은 데다 전원 공급이 끊어지고 무정전전원장치(UPS)도 작동되지 않았던 것이 피해를 키운 것으로 파악됐다. SK C&C는 리튬이온 배터리를 일부 UPS와 물리적으로 완벽히 분리하지 않았다는 점에서 질타를 받았다. 이에 과기정통부 등 정부 부처는 SK C&C에 시정조치를 내렸다. 이후 SK C&C는 ▲리튬이온 배터리 중 일부 납축전지로 교체 ▲화재 감지 솔루션 확충 ▲방화벽 강화 ▲전력 케이블 재배치 등 화재 예방 조치에 나섰다. 또 화재확산 방지포, 할로겐 가스 등 자동 소화 설비도 구비했다. SK C&C 관계자는 "납축전지는 리튬이온 배터리에 비해 효율은 떨어지지만 화재 위험성은 낮다"며 "화재가 발생한 판교 데이터센터 내부는 복구 작업 시 납축전지로 모두 교체했다"고 말했다. 이어 "대전 대덕 데이터센터도 리튬이온 배터리를 쓰고 있는데 화재 위험성이 상대적으로 낮은 리튬인산철 배터리로 교체하는 작업을 진행하고 있다"며 "효율은 조금 떨어지지만 화재 안전성을 높이기 위해 최선을 다하고 있다"고 덧붙였다. 화재 사고로 큰 피해를 입었던 카카오도 서비스 '안정성'을 강화하기 위해 지난해 9월 완공된 첫 자체 데이터센터에 24시간 무중단 운영이 가능하도록 전 시스템을 '이중화'시켰다. 또 사고에 따른 먹통 방지를 위해 대규모 서버를 차질 없이 운영할 수 있는 '무정전 전력망'도 갖췄다. 더불어 화재 조기 진화를 위한 대응 시스템 마련에도 신경을 썼다. 특히 UPS실, 배터리실에는 방화 격벽으로 분리 시공하고 모든 전기 판넬에 온도 감지 센서를 설치해 이상 온도 상승 시 즉각 대응하게 설계했다. 카카오 관계자는 "화재 진압이 매우 어려운 리튬 이온 배터리 화재에 대비해 화재대응시스템을 자체 개발 및 적용했다"며 "해당 시스템은 현재 특허 출원했다"고 말했다. 정신아 카카오 대표는 "왜 우리가 안전한 데이터센터를 지어야 했는지에 대해선 내부에서 '1015 사태'라고 부르는 SK 판교 데이터센터의 화재 사건이 뼈 아픈 이유가 됐다"며 "다시는 이러한 장애가 반복되지 않기 위해 철저하게 원인을 분석하고 이를 설계에 반영해 만든 결과물이 카카오 데이터센터 안산"이라고 강조했다. SK C&C, 카카오 외에도 자체 데이터센터를 운영하는 기업들도 리튬이온 배터리 화재에 대비하고자 앞다퉈 다양한 방안 마련에 나섰다. 삼성SDS는 서울 상암을 포함해 경기 수원, 동탄, 경북 구미, 강원 춘천 등 5곳에서 자체 데이터센터를 운영 중으로, 서버 이중화와 스토리지 백업 체계 구성을 기본 원칙으로 세워 화재 발생을 대비하고 있다. 이곳 역시 지난 2014년 경기 과천 데이터센터에 화재가 발생해 삼성 금융 계열사 등에게 엄청난 피해를 입힌 바 있다. 삼성SDS 관계자는 "국내 데이터센터는 물론 해외 11개 데이터센터 간에도 전 센터와 예비 시스템 자원을 보유한 DR(재해복구) 센터를 글로벌 백업 체계로 운영 중"이라며 "데이터센터 내 배터리실을 격실 구조로 하고 전기실과 분리 운영 중이며 배터리 온도를 주기적으로 모니터링해 화재 예방에 만전을 기하고 있다"고 밝혔다. 서울 상암, 가산과 부산 등에서 데이터센터를 운영 중인 LG CNS는 인공지능(AI) CCTV와 배터리 모니터링, 공기흡입형 화재감지기 등 다중 감시방식을 갖춰 화재 대응에 나섰다. 또 화재뿐 아니라 홍수, 정전, 지진 등 종합 재해 대응 매뉴얼도 갖추고 있으며 관할 소방서와 정기 합동 훈련도 실시하고 있다. 토종 클라우드 업체들도 화재 대응에 만전을 기하고 있다. 네이버클라우드는 재해 발생 시 컨트롤타워 역할을 하는 BCP(Business Continuity Plan, 업무연속성계획) 전담조직을 구성한다는 방침을 세워 주목 받고 있다. 또 1년에 2회 진행하는 BCP 모의훈련을 비롯해 연 1회 민관합동훈련, 월 1~2회 진행하는 운영안정성 점검 훈련 등 지난 10년간 약 200회 이상의 모의 훈련도 진행했다. 더불어 네이버웍스의 AI 업무 비서인 '웍스봇(WORKS Bot)'을 통해 임직원 간 커뮤니케이션, 가용 자원 파악 및 신속한 복구 등이 가능하도록 체계를 갖췄다. 웍스봇은 인프라 설비운영 전체직원을 대상으로 온·습도, 열 감지, 서비스 장애 등에 대한 정보를 실시간으로 전달한다. NHN클라우드는 광주, 판교 등에서 자체 데이터센터를 운영 중으로, 집적정보통신시설 보호 조치 이행에 준하는 화재진압설비를 갖추고 있다. 화재감지, 전산실 온습도, 냉동기 입출구 온도, 펌프 속도, 수배전실 전압·전력 등 데이터센터 내 모든 설비를 실시간 모니터링하며 화재 대비에 나선 상태다. 구체적으로는 배터리 분리격실 운영, 주 1회 이상 비상대응훈련 실시 등을 실행 중이다. 또 장비나 전력선 등이 과부하, 접촉 불량으로 절연 물질이 녹거나 열화 될 때 발생하는 미세한 연기를 실화재 발생 전 단계에서 강제 포집하는 '베스다 감지기' 등도 설치해 관리 안전성을 높이고 있다. 최근 배터리 화재 사고가 빈번해지자 정부도 데이터센터 관리에 적극 나서고 있다. 과기정통부는 지난 2022년 SK C&C 판교 데이터센터 화재 사고 이후 이듬해인 7월부터 방송통신발전기본법, 정보통신망법 개정안을 시행하고 한 달 전인 6월에 집적정보통신시설 보호지침을 마련했다. 특히 배터리 온도를 10초 간격으로 확인하고 배터리실엔 급속배기장치와 CCTV 설치를 의무화했다. 또 리튬배터리를 활용하는 민간 데이터센터 89개 시설을 대상으로 안전 점검도 진행 중이다. 업계 관계자는 "통상 리튬이온 배터리 화재는 '열 폭주' 현상에 의해 발생한다"며 "데이터센터 외에도 전기차, 전기자전거 등 사회 곳곳에 리튬이 사용되는 경우가 많아지고 있어 각별한 주의를 갖고 대응전략을 세워야 한다"고 조언했다.

2024.09.20 14:52장유미

차세대 '아연공기전지' 수명문제 해결…10년 내 상용화

국내 연구진이 차세대 이차전지로 주목하는 아연공기전지의 수명문제를 해결했다. 한국생산기술연구원은 섬유솔루션부문 윤기로 박사와 한양대 최선진·최준명 교수 연구팀이 공동으로 '아연공기전지용 복합 겔전해질' 기술 개발에 성공, 웨어러블 디바이스용 이차전지 상용화의 실마리를 풀었다고 31일 밝혔다. 아연공기전지는 값싼 아연 음극과 물 기반의 전해질, 가벼운 산소를 양극으로 사용해 발화 위험이 없다. 리튬이온전지 대비 에너지 밀도가 높아 웨어러블 디바이스용 이차전지 대안으로 꼽혀 왔다. 그러나 공기 중 산소를 양극 연료로 활용하기 위해 열린 전극 구조를 갖고 있어 물이 쉽게 증발한다. 물이 증발하면 전지 성능이 급속히 감소한다. 이 문제를 공동 연구팀이 해결했다. 아연공기전지는 전해액과 분리막을 대체하기 위해 반고체형 '겔전해질'을 사용한다. 또 친수성 고분자인 폴리비닐 알코올(PVA)을 이온 전달 매개체로 쓴다. 이때 표면 기공으로 수분이 빠르게 빠져 나가 성능에 문제가 발생한다. 연구팀은 겔전해질 내부에 자체 중량 대비 수백 배에 이르는 물 흡수가 가능한 고흡수성 수지 폴리아크릴산(PAA)으로 구성된 나노섬유로 오랜 난제를 풀었다. 윤기로 박사 연구팀은 독자적인 전기방사 기술로 PAA 나노섬유를 교차 정렬 형태로 제조했다. 그 결과 전기방사 과정에서 늘어난 나노섬유의 길이 방향을 따라 내부 고분자 사슬이 배열돼 친수성 작용기의 밀도가 높아지는 것으로 나타났다. 한양대 최준명 교수 연구팀은 또 분자동역학 시뮬레이션을 통해 겔전해질 내부에 나노섬유를 도입했을 때 고흡수성 나노섬유를 따라 빠르게 수분이 모여드는 현상을 확인했다. 최선진 교수 연구팀은 열처리 과정에서 PAA와 PVA가 서로 엵혀 나노섬유가 물에 녹지 않고 구조를 안정적으로 유지한다는 사실을 밝혀냈다. 나노섬유를 따라 형성된 수분 층은 이온 이동 거리를 효과적으로 단축시켰다. 이온 전도도 값이 235.7 밀리지멘스퍼센티미터(mS/㎝-1)로 매우 우수하다. 고흡수성 나노섬유를 도입한 복합 겔전해질을 아연공기전지에 적용한 성능평가 결과 순수 겔전해질 대비 3배가량 향상된 출력 밀도와 60시간 이상의 긴 충·방전 수명을 기록했다. 윤기로 박사는 “향후 안정적인 겔전해질 기술 및 유연소자 개발을 통해 웨어러블 아연공기전지 조기 상용화에 주력할 계획”이라며 "5~10년 내 상용화될 것"으로 내다봤다. 연구는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업과 해외우수기관 협력허브구축사업 지원을 받았다. 연구성과는 에너지 저장 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머터리얼즈' (IF=18.9, JCR 상위 4.2%)'온라인판에 게재됐다.

2024.07.31 14:56박희범

"K배터리, 2035년 글로벌 생산량 20% 차지할 것"

전세계 리튬이온배터리(LIB) 생산 능력이 오는 2035년 5천695GWh까지 성장할 전망이다. LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 한국 배터리 3사가 이 중 약 20%를 차지할 것으로 예상됐다, 이차전지 시장조사 업체 SNE리서치는 27일 '2024 글로벌 LIB 라인 신설 및 증설 전망' 보고서에 이같은 내용을 담았다. 보고서에 따르면 올해부터 2035년까지의 연 평균 LIB 생산능력 성장률은 약 10% 수준이다. 해당 집계는 전기차와 에너지저장장치(ESS)용 중대형, IT용 소형 배터리를 포함한 수치다. 한국 배터리 3사는 2035년까지 1천159GWh의 생산능력을 갖출 것으로 점쳐졌다. 보고서는 국내 3사의 생산 기지는 대부분 북미와 유럽에 위치해 있고, 2035년 기준 각각 628GWh, 305GWh에 도달할 것으로 전망했다. 특히 2035년까지 북미 지역 내 생산능력은 한국기업이 58%를 차지할 것으로 봤다. 지역별 생산능력은 2035년 중국 3천93GWh, 북미 1천84GWh, 유럽 1천174GWh에 도달할 것으로 예상됐다. 중국은 2035년 기준 CATL, BYD, CALB 등 상위 기업 3곳이 전체 중국업체 생산능력의 절반을 차지할 것으로 예상됐다. 공급 과잉으로 향후 상위 업체 위주로 배터리 산업이 재편성될 수 있다는 관측도 내놨다. 북미 지역은 전기차 시장 둔화로 공장 가동과 증설이 지연되고 있으며, 유럽 지역도 공장 건설 철회 소식이 계속 보도되고 있는 것에 주목했다. SNE리서치 관계자는 “LIB 제조업체들의 공격적인 증설로 인해 공급 과잉이 발생하지만 장기적으로는 공급의 성장 폭이 둔화되고 수요는 꾸준히 증가해 이상적인 수급을 형성할 것”이라고 전했다.

2024.06.27 10:12김윤희

산업부-소방청, 리튬 배터리 산업 현장 안전점검

산업통상자원부는 25일 강경성 제1차관이 충남 당진에 소재한 비츠로셀 리튬 1차전지 제조시설을 방문해, 소방청·전기안전공사·가스안전공사 등 유관기관과 함께 현장 안전관리 상황에 대한 합동점검을 실시했다. 이날 현장 안전점검은 지난 24일 리튬 1차전지 제조시설 화재로 인명피해가 발생함에 따라, 관련 유사 사업장을 합동 방문·점검해 동일한 사고 발생을 사전 예방하기 위해 이뤄졌다. 강경성 산업부 1차관은 “리튬 전지는 화학적 특성상 한번 화재가 발생하면 진화가 쉽지 않은 만큼, 사전적인 안전관리가 그 무엇보다 중요하다”고 강조했다. 한편, 산업부는 유사 사업장 현장 안전점검과 상시 모니터링을 위해 산업부 제1차관을 단장으로 산업부 본부 및 국가기술표준원·소방청·배터리산업협회·전기안전공사 등 유관기관이 함께 참여하는 '배터리 산업 현장 안전점검 TF'를 구축 운영할 예정이다. 산업부는 배터리 산업 현장 안전점검 TF를 통해 리튬 배터리 산업 현장에 대한 집중 점검을 실시할 예정이다. 현장 점검 대상으로는 이번 화재가 발생한 리튬 1차전지 제조시설 뿐만 아니라, 리튬 2차전지 제조시설, 리튬 배터리 에너지저장장치(ESS) 제조시설, 사용후 배터리 보관시설 등 리튬 배터리 관련 국내 핵심 사업장들을 포함할 예정이다. 산업부는 리튬 배터리 산업 현장 안전점검을 시작으로 여름철 풍수해 등에 대비해 전기·가스·산업단지 등 산업 인프라 전반에 대한 종합 안전점검도 즉시 실시할 계획이다.

2024.06.25 15:14주문정

경기 화성 리튬전지 공장 화재…1명 심정지·21명 연락두절 추정

경기 화성시 소재 일차전지 기업 공장에서 화재가 발생해 다수의 인명 피해가 발생했다. 소방당국에 따르면 24일 오전 10시 31분 일차전지 제조업체 아리셀의 화성시 서신면 소재 공장 3동에서 화재가 발생해 현재까지 심정지 1명, 중상 1명, 경상 5명 등 인명 피해가 발생한 것으로 추정되고 있다. 이 곳에는 리튬이온 배터리 3만5천개가 있는 것으로 전해졌다. 공장 근로자 중 21명은 연락이 두절돼, 추가 인명 피해가 발생할 수 있는 상황이다. 아리셀은 금형 제조 기업 에스코넥의 리튬 일차전지 자회사로 지난해 매출 47억9천만원을 기록했다. 자동검침시스템(AMR)과 지능형전력계량시스템(AMI), 무선주파수인식(RFID), 의료장비, 군용장비, 각종 산업 제품을 납품하고 있다. 화재가 발생한 화성 공장은 연 면적 2천300여 제곱미터 규모 3층 건물이다. 이 건물에는 근로자 50여명이 상시 근무하는 것으로 알려졌다. 리튬이온 배터리는 특성상 과열, 과충전 등에 의한 화재 위험이 있고, 온도가 1천도 이상 올라가는 열 폭주 반응이 발생하기도 한다. 내부에서 계속 열이 발생해 한 번 배터리에서 발화가 시작되면 배터리를 물에 담그는 방식으로 진화하지 않고서는 진화가 어렵다.

2024.06.24 15:15김윤희

한국화학연구원, 리튬금속전지 수명 3배 늘려…대면적 연구 조만간 착수

기존 리튬금속전지 수명을 3배이상 늘릴 수 있는 획기적인 소재가 개발됐다. 한국화학연구원은 화학소재연구본부 김도엽 박사 연구팀(논문 제1저자 : 정상윤 박사과정)이 손쉬운 방법으로 리튬복합소재를 개발했다고 5일 밝혔다. 리튬금속전지를 충전할 때 리튬이온은 양극에서 음극인 리튬금속 표면으로 이동한다. 이 때 리튬이온이 리튬금속에 나뭇가지처럼 마구잡이로 쌓이는 데(덴드라이트), 연구팀이 이 문제를 해결한 것. 리튬 덴드라이트 현상은 전해액 분해를 가속화해 전지 성능을 떨어뜨리고, 심한 경우 분리막을 뚫고 나와 양극과 접촉하는 쇼트가 발생, 전지폭발을 일으키기도 한다. 이에 따라 리튬금속을 음극재로 사용하는 리튬황전지나 리튬공지전지 등 고성능 차세대 이차전지를 개발하기 위해서는 이같은 리튬 덴드라이트 성장 억제 기술이 필수다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 기계적 반죽법을 도입했다. 전고체 전지의 고체전해질로 많이 쓰는 Al-LLZO(알루미늄을 도핑한 리튬란타튬지르코네이트고체전해질 복합소재)을 기계적으로 반죽해 복합소재 입자가 고루 섞이도록 한 것. 리튬 호일에 LLZO 입자를 올린 뒤 반을 접어 롤프레스로 눌러 펴준 다음, 이를 다시 반을 접어 롤프레스로 눌러주는 과정을 30회 반복했다. 이렇게 개발한 복합 소재를 리튬 금속전지의 음극으로 사용했을 때 대면적 대조군인 리튬 호일(일반 리튬 음극) 대비 전지 수명이 3배 이상 증가했다. 연구팀은 "리튬금속을 적용하면 70회 충·방전 이후 용량 감소율이 커지는 반면, 이번에 개발한 복합소재를 적용하면 250회 충·방전 후에도 급격한 용량 감소 없이 안정적으로 구동했다"며 "충·방전 속도가 일정 조건에서 20% 이상 증가한 것도 확인했다"고 설명했다. 연구팀은 셀 적용 가능성을 확인하기 위한 실험도 진행했다. 가로 3㎝, 세로 4.2㎝ 크기의 파우치 셀을 조립해 충·방전시켰을 때 50㎃h 용량이 유지됐다. 김도엽 책임연구원은 "대면적 셀 적용 가능성을 확인한 셈"이라며 ""최근 선정된 '글로벌 TOP 전략연구단' 사업과 연계해 리튬 복합소재의 고성능 및 대면적화를 위한 공정 기술 개발을 추진할 계획"이라고 말했다. 연구결과는 소재분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF : 19)(1월호) 내부 표지 논문으로 게재됐다.

2024.06.05 15:32박희범

배터리 전극 단순 코팅했더니…전기차 급속충전 500회해도 성능 83.4% 유지

전기차 급속 충전을 1~2년 이상하면 성능이 뚝 떨어지는 문제를 국내 연구진이 음극재에 간단한 코팅만으로 해결했다. 한국전기연구원(KERI)은 전기소재공정연구센터 최정희 박사 연구팀이 한양대 이종원 교수팀, 경희대 박민식 교수팀과 공동으로 500회 급속 충전에도 83.4% 성능을 유지하는 공정 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 현재 500㎃h급 파우치 셀까지 성능을 검증했다. 향후 용량을 늘려 대면적 중대형 전지에도 적용할 계획이다. 이종원 교수는 "전기차 보급을 확대하는 데 가장 큰 걸림돌은 주행거리 향상과 안전성 확보, 급속 충전"이라며 "특히, 급속 충전을 위해 배터리 내부에 들어가는 전극 두께를 두껍게 만들면 열화 현상이 발생해 성능이 뚝 떨어진다"고 말했다. 연구팀은 이들 걸림돌 가운데 열화 문제를 리튬이온전지 음극(-) 극판 표면에 1㎛이하의 아주 작은 '산화알루미늄(Al₂O₃)' 입자를 부분 코팅하는 방법으로 해결했다. 산화알루미늄 장점은 가격이 저렴하다. 우수한 전기 절연성, 내열성, 화학적 안정성, 기계적 특성을 보유하고 있다. 이종원 교수는 "산화알루미늄 입자가 리튬이온전지 음극과 전해질 간 계면을 효과적으로 제어하고, 리튬 이온의 빠른 이동을 유도했다"며 "급속충전 시에도 리튬의 전착(충·방전이 불가능한 비가역적 리튬)을 막고, 리튬이온전지의 안정적인 충·방전 수명을 확보했다"고 설명했다. 이 교수는 "흑연 음극 표면을 처리하기 때문에 가역적인 리튬의 양 감소 없이, 고에너지밀도의 후막 전극에 대해 급속충전을 적용해도 안정적인 성능 구현이 가능하다"고 부연설명했다. 연구팀이 흑연 음극재에 산화알루미늄을 코팅한 뒤 성능을 검증한 결과 고에너지밀도의 음극 전극(4.4 ㎃h/㎠)이 500회 급속충전에도 83.4% 이상 잔류 용량비를 유지했다. 반면 기존 배터리는 용량 유지율이 500회 급속 충전시 55.9%로 떨어진다. 이종원 교수는 "그동안 국내외 연구진들은 열화 문제 해결 방법으로 전극 내부 활물질 소재에 집중해 왔다"며 "우린 간단한 코팅만으로 이문제를 해결하고 우리나라와 미국 특허도 확보했다"고 덧붙였다. 연구는 삼성미래기술육성사업 및 산업부 산업기술혁신사업(전기차 고출력 배터리 및 충전시스템 기술 개발)의 예산을 지원받아 수행했다.

2024.05.27 09:00박희범

LIB 음극재 시장, 10년 후 2.5배…"K-배터리 탈중국 시급"

중국 업체들이 독식중인 세계 리튬이온배터리(LIB) 음극재 시장에서 포스코퓨처엠이 고군분투 중이다. 23일 시장조사업체 SNE리서치 '2024년 리튬이온전지 음극재 기술현황 및 시장전망' 보고서에 따르면 LIB 음극재 시장은 지난해 160만톤(10조원)에서 2035년 390만톤(25조원)으로 성장할 것으로 전망된다. 음극재 시장이 2028~2029년까지 인조흑연(AG)을 중심으로 성장하겠지만, 2030년 이후부터는 현재 1~2% 비중을 차지하는 실리콘(Si) 음극재 비중이 7~10%로 확대할 것으로 관측했다. 현재 음극재 시장에서 중국 업체 점유율은 지난해 92.6%에 달한다. 지난 2021년(87.5%)보다 확대됐다. 그중에서도 BTR, 샨샨, 지첸 빅3 비중이 절반에 육박한다. 출하량 기준 1~9위까지가 모두 중국 업체고 한국의 포스코퓨처엠이 10위를 기록했다. 미국 정부가 최근 인플레이션 감축법(IRA)에 따른 전기차 보조금 지급요건 충족 여부를 판단할 배터리에 사용된 흑연에 대해서는 외국우려기업(FEOC)에서 조달해도 2026년 말까지 문제 삼지 않기로 하고 앞으로 2년간 '중국산 흑연'으로 만든 배터리를 허용했다. 하지만 리튬이차전지 음극재 시장은 아직까지도 중국업체 의존도가 90% 이상으로 배터리 소재 업계 탈중국 과제가 시급한 상황이다. 한국 배터리 3사는 중국산 흑연이 허용되는 2026년 말까지 호주, 북미 등의 업체와 손잡고 중국 외에서 흑연을 안정적으로 조달하는 체계를 구축하는 데 속도를 낼 계획이다. 포스코퓨처엠도 2030년까지 37만톤 규모 음극재 흑연을 생산한다는 계획이다. SNE리서치는 "향후 중국 외 흑연 음극재 공급망 확보와 차세대 전지(SIB나트륨전지, ASB전고체 전지)용 고용량 고성능의 Si 음극재와 리튬메탈 개발, 나트륨전지용 하드카본 음극재 등에 대한 기술 확보가 시장의 중요 게임체인저 역할을 할 것"이라고 전망했다.

2024.05.23 10:31류은주

리튬이온 배터리 시장, 2035년엔 5.6배 커진다

오는 2035년까지 리튬이온배터리(LIB) 총 수요량이 5.57TWh으로 늘어난다는 전망이 나왔다. 21일 이차전지 시장조사업체 SNE리서치는 '2024년 글로벌 LIB 애플리케이션별 중장기 전망' 보고서에 이같은 내용을 담았다. 보고서에 따르면 2035년 소형 IT기기와 친환경차(xEV), 에너지저장장치(ESS)향 LIB 수요는 5.57TWh로 전망됐다. 지난해 994GWh 대비 약 5.6배에 이르는 양이다. 연 평균 성장률로 환산 시 15.4% 수준이다. 애플리케이션별 수요로 봤을 때는 xEV가 4천760GWh로 85% 비중을 차지한다. 뒤이어 ESS향 LIB 수요가 618GWh로 11%를 자치할 전망이다. 소형 애플리케이션향 LIB 수요는 193GWh로 3% 비중을 차지할 것으로 예상됐다. 지난해 기준 애플리케이션별 수요량은 xEV 700GWh, ESS 185GWh, 소형 109GWh로, 비중은 각각 70%, 19%, 11%를 차지했다. 지난해부터 2035년까지 애플리케이션별 LIB 수요의 연평균 성장률 예상치는 xEV 17.3%, ESS 10.6%, 소형 4.9%다. SNE리서치 관계자는 “xEV는 플러그인하이브리드차(PHEV), 순수전기차(BEV) 기준 상용차 포함 2035년 약 7천495만대가 판매될 것으로 전망한다”며 “소형 LIB 시장은 소형 LIB 셀을 탑재하는 xEV와 ESS를 포함 시 2035년 1.3TWh의 수요가 발생할 것”이라고 말했다.

2024.05.21 10:50김윤희

소형 리튬이온 배터리 시장, 2035년 6배 커진다

오는 2035년 소형 리튬이온배터리(LIB) 수요가 1.3TWh로 확대될 전망이다. 가장 큰 비중을 차지한 수요처는 친환경자동차(xEV)로, 약 1TWh를 차지할 것으로 예상됐다. 20일 이차전지 시장조사업체 SNE리서치의 '2024년 글로벌 LIB 애플리케이션별 중장기 전망' 보고서에 따르면 2035년 소형 리튬이온이차전지(LIB)의 총 수요는 1천326.5GWh로 집계됐다. 상세 애플리케이션 별로 시장 규모를 비교하면 xEV향 LIB의 수요가 82.5%의 비중을 차지했다. xEV에는 원통형 셀을 적용한 제품들이 나오고 있다. 대표적인 경우로 테슬라의 제품들이 있고 파나소닉, LG에너지솔루션이 테슬라에 xEV향 소형 LIB를 납품 중이다. xEV 다음으로 많은 LIB 수요를 기록한 애플리케이션으로는 전동 모빌리티가 꼽혔다. 전기자전거와 2~3륜차를 포함한 전동 모빌리티 분야 LIB 수요는 2035년 약 80GWh에 달해 6%의 비중을 차지할 전망이다. 에너지저장장치(ESS)는 2035년 39GWh의 소형 LIB 수요를 요할 것으로 예상된다. 비중은 2.9%로 3위를 차지했다. ESS 역시 xEV와 같이 원통형 전지를 탑재한 제품이 출시되고 있다. 향후 소형 파우치 셀을 탑재한 모델도 등장할 예정이다. SNE리서치 관계자는 “스마트폰, 노트북 등 기존 IT 기기향 LIB 시장은 성장이 상대적으로 더딜 전망” 이라며 “2~3륜 시장 및 웨어러블 시장의 고성장과 이외에도 드론 등 새로운 애플리케이션의 등장을 통한 새로운 소형 LIB 시장 성장이 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

2024.05.20 10:55김윤희

리튬이온전지에 쓰는 희유금속, 탈중국 방법 찾다

우리나라와 캐나다 연구진이 니켈이나 코발트 등 희유금속을 사용하지 않고도 에너지 밀도를 40% 향상시킬 수 있는 고성능 차세대 리튬이온전지 제조 방법을 찾았다. 제조 비용도 저렴해 상용화되면 희유금속 탈중국이 가속화할 것으로 연구팀은 내다봤다. KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 UNIST·캐나다 맥길대(McGill University)와 리튬이온전지 양극의 핵심 희유광물인 니켈, 코발트 없이 리튬이온전지 전극 설계에 성공했다고 1일 밝혔다. 연구팀은 리튬이온전지 양극재로 값비싼 희유금속 대신 망간 기반의 양이온-무질서 암염(Disordered rock-salt, 이하 DRX)을 사용했다. DRX 양극재는 값싸고 매장량이 풍부한 망간이나 철 등을 원료로 한다. 에너지 밀도도 1천Wh/kg로, 기존 대비 40%정도 우수하다. 그러나 문제가 있다. DRX 양극재가 차지하는 비율이 전지에서 90%를 넘어서면 충전 성능을 크게 떨어 뜨리고, 급격한 열화현상을 보인다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 '도전재'로 들어가는 탄소 블랙(CB)에 주목했다. CB는 전극을 제조할 때 전자 전도도를 향상시키기 위해 넣는 탄소계 소재다. 연구팀은 또 다중벽 탄소나노튜브와 고분자 소재인 'SBR/CMC'를 도전재와 바인더(전극과 전도성 물질 사이에서 접착제 역할하는 물질)로 쓸 경우 DRX 양극재의 비율을 96%까지 끌어올려도 전지 성능을 떨어 뜨리지 않는다는 것을 확인했다. 연구팀은 " DRX 양극재 내 망간 비율은 낮추고, 낮아진 전자 전도도는 다중벽 탄소나노튜브 등으로 해결했다"며 "차세대 저가형 리튬이온전지 양극재를 제조했다"고 설명했다. KAIST 서동화 교수는 “상용화를 위해 풀어야 할 문제들이 아직 남아 있지만 대 중국 의존도가 높은 니켈, 코발트 등 희유 금속이 필요없다는 점에 주목해 달라"며 "리튬 인산철 양극 주도의 저가 이차전지 시장에서 우리 경쟁력을 강화하는 전환점이 될 것"으로 기대했다. 이 연구는 이은렬 UC버클리 박사후연구원(연구 당시 UNIST 에너지화학공학과 박사과정), 이대형 KAIST 신소재공학과 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 또, KAIST 신소재공학과 박상욱 박사과정, 김호준 석사과정이 공저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)' 온라인판(3월 27일)에 공개됐다. 오프라인으로는 이 학술지 6월호 표지 논문으로 출간된다.

2024.05.02 00:17박희범

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