[M오토데일리 박상우 기자] “아폴로는 안전성, 주행거리, 비용절감, 성능을 모두 충족하는 배터리이다”

4일 SES 창업자이자 최고경영자(CEO)인 치차오 후 박사는 온라인을 통해 진행된 SES 배터리 월드 2021에서 “완성차업체에서는 안전성, 주행거리 확보, 비용 절감, 퍼포먼스(성능) 등 4가지를 충족하는 배터리를 원하는데 이를 만족하는 전고체 전지는 아직 어렵고 현재 찾을 수 없다”고 밝혔다.

이어 “일부 기업이 내놓은 보고서에 따르면 안전성은 우수하지만 퍼포먼스 등은 떨어지는 모습을 볼 수 있다”며 “순수 전고체 배터리만으로 안전성, 에너지밀도, 성능을 충족시킨 전례가 없다”고 덧붙였다.

전고체 배터리는 현재 배터리에 적용되는 액체 전해질을 고체 전해질로 대체한 배터리를 말한다. 화재에 민감한 액체 전해질 대신 고체 전해질을 적용하면 화재 위험이 현저히 줄어든다. 또 배터리 무게와 부피도 줄어들어, 리튬이온배터리가 갖는 용량 한계를 뛰어넘을 수 있는 등 장점이 있어 주목받고 있다.

그러나 해결해야 하는 문제가 여전히 많아 정확한 상용화 시점을 언급하지 않고 있다.

리튬이온배터리의 개발자로 2019년 노벨 화학상 수상자인 마이클 스탠리 위팅엄박사는 “전고체 배터리를 만드는 데 있어서 최대의 과제는 저온에서도 300마일(482km) 이상의 항속거리를 유지하면서 높은 에너지밀도와 급속 충전, 긴 수명주기를 동시에 충족시켜야 한다”고 말했다.

이는 고체 전해질이 리튬이온배터리의 액체 전해질보다 이온 전도도가 낮기 때문이다. 고체 전해질은 액체 전해질처럼 양극 또는 음극을 완전히 덮을 수 없는데다 지속적인 부피 변화로 인한 스트레스로 인해 접촉이 느슨해져 양극과 음극이 분리될 수 있다. 이로 인해 배터리의 성능이 빠르게 저하될 수 있다.

SES는 전고체 배터리의 안전성과 높은 에너지밀도를 유지하면서 양산성을 높이기 위해 하이브리드 리튬메탈배터리를 개발하고 있다.

리튬메탈배터리는 배터리의 4대 소재 중 하나인 음극재에 흑연 대신 금속을 사용해 에너지 밀도를 크게 높인 배터리로 리튬이온배터리의 경우 에너지 밀도를 최대 800Wh/L까지 높일 수 있으나 리튬메탈배터리는 1천Wh/L 이상으로 높일 수 있다.

에너지밀도가 높아지면 부피를 적게 차지하기 때문에 전기차에 더 많은 배터리를 넣어 주행거리를 크게 늘리거나 차체를 가볍게 만들 수 있다. 여기에 어떤 금속을 사용하느냐에 따라 배터리의 가격을 낮출 수 있어 전기차의 가격을 저렴하게 책정할 수 있다. 그러나 양산성은 리튬이온배터리보다 현저히 떨어진다.

SES는 리튬메탈배터리의 높은 에너지밀도와 리튬이온배터리의 양산성을 결합한 하이브리드 리튬메탈배터리를 개발하고 있다.

액체 전해질로 이뤄진 배터리는 양산화가 쉬우나 에너지밀도가 낮고 고체 전해질로 이뤄진 배터리는 에너지밀도가 높으나 안전성과 생산성은 매우 낮다. 액체 전해질의 양산성과 고체 전해질의 높은 에너지밀도를 결합하기 위해 배터리 내부를 전부 고체로 채우는 것이 아니라 10% 가량 액체를 섞은 것이다.

SES가 이날 공개한 아폴로는 세계 최초로 100Ah 이상인 리튬메탈배터리이며 에너지밀도는 417Wh/kg 및 935Wh/L로 리튬이온배터리셀의 평균 에너지밀도보다 3배가량 높다. 그러나 무게는 0.982kg에 불과하다. 특히 상온에서 진행한 C/10(10시간 방전), C/3(3시간 방전), 1C(1시간 방전) 테스트 모두에서 비슷한 수준의 높은 용량과 에너지 밀도를 보였다.

SES는 현재 제너럴모터스, 현대차·기아와 전기자동차용 A샘플 리튬메탈배터리를 개발하고 있으며 A샘플을 내년에 선보일 예정이다. 2024년에는 B샘플과 C샘플을 선보이고 2025년에 상용화한다는 계획이다.

치차오 후 박사는 “이 배터리들은 더 많은 테스트와 최적화 과정을 거쳐야겠지만 이 배터리들이 보여준 성능은 매우 흥미진진하다. 배터리는 광범위한 온도와 전력 밀도 범위에서 높은 에너지밀도를 제공해야 한다. 자동차는 고온과 저온 속에서도 운행돼야 하며, 고속 및 저속 주행 시 원활하게 작동해야 한다. 전고체 배터리는 우리의 하이브리드 리튬메탈 배터리 수준의 성능을 결코 달성할 수 없다”고 밝혔다.