This startup wants to pack more energy into electric vehicle batteries

전기차 배터리 용량 획기적 개선에 도전장 내민 한 스타트업

미국의 스타트업 ‘솔리드파워’가 전기차에 사용할 수 있는 전고체 배터리를 연구하고 있다. 솔리드파워는 전고체 배터리 기술이 가격, 안정성, 주행거리 면에서 리튬이온 배터리를 능가할 것이라고 전망한다.

전기차의 인기가 날이 갈수록 높아지고 있다. 그러나 테슬라 모델 3의 주행거리가 약 560km인 것처럼 전기차의 주행거리는 여전히 제한적이며 시장을 지배하고 있는 리튬이온 배터리의 안전성에 대한 우려도 계속되고 있다.

우리가 지금보다 더 먼 거리를 안전하게 이동할 수 있게 해줄 전기차 배터리를 만들기 위해 미국의 스타트업 솔리드파워(Solid Power)는 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 채울 수 있는 전고체 배터리(solid-state battery) 제조를 연구하고 있다.

솔리드파워는 리튬이온 배터리의 전해질로 사용되는 액체를 세라믹층으로 대체하는 배터리 셀(battery cell)을 만들기 위해 대규모 시험 제조라인을 가동하기 시작하면서 전고체 배터리 기술을 차량에 테스트하는 단계에 한 걸음 더 가까워졌다. 시험 제조라인에서 생산할 풀사이즈 배터리 셀은 작은 노트북 컴퓨터와 비슷한 크기로, 이것은 나중에 전기차를 구동하는 데 사용할 배터리 셀과 같은 크기이다.

솔리드파워의 전고체 배터리 기술은 상용화되기까지 아직 몇 년 정도 연구가 더 필요한 상황이다. 솔리드파워는 2028년까지 매년 차량 80만 대에 장착할 수 있는 배터리 물질을 생산할 정도로 생산 규모를 늘리려는 계획이다. 만약 전고체 배터리가 실용적인 것으로 드러나면 이 기술은 전기차의 성능을 상당히 끌어올릴 수 있을 것이다.

하지만 솔리드파워가 미래에 완전한 배터리를 제조해서 판매하지는 않을 것이다. 솔리드파워의 CEO 더그 캠벨(Doug Campbell)은 회사가 다른 배터리 제조업체들에 고체 전해질 물질을 제공할 것이라고 밝혔다.

전해질은 배터리 내부에서 배터리가 충전되고 있거나 전력을 방출하고 있을 때 전하를 실어나른다. 현재 전기차에 동력을 공급하는 리튬이온 배터리는 액체 상태의 전해액을 전해질로 사용한다. 그러나 전고체 배터리는 고체 상태의 전해질을 사용해 전하를 전달한다.

고체 전해질을 활용하는 방식은 배터리 제작에 새로운 선택지들을 제공한다. 특히 리튬메탈과 실리콘을 이용하는 배터리는 배터리 셀에서 액체 상태의 전해질과 결합하면 불안정하거나 위험할 수 있지만, 이론상 고체 전해질을 대신 사용하면 안정성을 높일 수 있다.

그러면 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리를 만들 수 있을 것이다. 즉 전기 자동차가 1회 충전으로도 지금보다 더 먼 거리를 이동할 수 있게 되는 것이다. 캠벨은 솔리드파워의 배터리가 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 절반 정도 향상시킬 수 있을 것이며 그렇게 되면 현재 1회 충전으로 560km를 이동하는 전기차가 주행거리를 800km 이상으로 늘릴 수 있을 것이라고 말했다.

캠벨은 전해액을 버리면 더 안전한 배터리 셀을 만들기도 쉬워질 것이라고 덧붙였다. 리튬이온 배터리는 불이 붙거나 폭발하지 않도록 방지하는 기술을 적용해 제작되는데, 전해액을 제거하면 그런 비싼 보호 장치를 사용할 필요가 없어진다. 내부 온도 제어장치와 안전 시스템이 공간을 덜 차지하게 되면 배터리 팩의 밀도도 높아질 수 있다.

아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory) 재료 부서의 화학자이자 배터리 연구원 레이 청(Lei Cheng)은 배터리 셀에서 전해액을 제거하려는 생각이 새로운 것은 아니라고 말했다. 하지만 수년 동안 고체 배터리에 관한 많은 연구들은 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide) 같은 유기 고분자(organic polymer) 사용에 초점을 맞춰왔다.

그런 재료들은 저렴하고 제조하기도 쉽지만 지금까지는 성능이 부족한 것이 문제였다. 그래서 다양한 연구 단체와 퀀텀스케이프(QuantumScape) 같은 스타트업들이 전도성이 더 높은 황화물과 산화물 같은 물질을 사용하는 고체 배터리를 상용화하기 위한 방법을 연구하고 있는 것이다.

그러나 고체 전해질을 만드는 회사들이 그런 고체 전해질을 대규모로 생산할 수 있을지에 대한 의문이 남아있다. 청은 솔리드파워가 사용하는 황화물 같은 무기물(inorganic material)이 불안정할 수 있으며 대규모 생산라인에서 얇은 막 형태로 생산되면 제조 과정 중에 이동하기 어려울 수도 있다고 말했다.

고체 배터리에 대한 또 다른 우려는 고체 배터리가 시간이 지나면서 배터리의 성능이 저하될 때 잘 견뎌낼 수 있을지 여부이다. 이러한 배터리 성능 저하의 원인으로는 특히 배터리 내부에서 리튬이 형성하는 나뭇가지 모양의 구조인 ‘덴드라이트(dendrite, 수지상 결정)’ 같은 것이 있다.

솔리드파워의 주요 투자자 중 하나인 볼타에너지테크놀로지스(Volta Energy Technologies)의 CEO 제프 체임벌린(Jeff Chamberlain)은 솔리드파워가 규모 확대와 관련한 문제에 직면해 있다고 말했다. 그러나 그는 볼타가 솔리드파워에 관심을 갖게 된 이유가 전고체 배터리 기술이 유망할 뿐만 아니라 연구팀이 초기부터 규모 확대에 관해 고려하고 있었기 때문이라고 덧붙였다. 그의 말처럼 “최고의 기술은 실현될 수 있는 기술”일 것이다.

이제 문제는 전고체 배터리가 과연 그런 기술이 될 수 있을지 여부일 것이다.

미리보기 3회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.