배터리 성능을 극대화하기 위해 소재 최적화가 모색됨에 따라, 배터리 기술 분야의 혁신은 매우 중요합니다. 이러한 혁신은 ‘패러데이 배터리 챌린지’(영국 연구·혁신 챌린지 기금의 일환)와 같은 프로그램들에 의해 주도되고 있으며, 이 프로그램을 통해 2017년부터 2025년까지 5억 4,100만 파운드가 지원되어 영국 내 강력한 배터리 산업의 성장을 촉진하고 있습니다. 유럽 특허청(EPO)에서는 2023년 배터리 관련 특허 출원 건수가 28% 증가했습니다.
지금까지의 이야기
배터리 기술 분야에서는 지속 가능하고 효율적이며 경제적인 배터리를 제조하고 상용화하기 위해 음극, 양극, 전해질 등 모든 구성 요소에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.
배터리 소재를 상용화할 때 고려해야 할 주요 요소는 에너지 밀도, 전력 밀도, 비용 및 수명이라는 점을 알 수 있다. 배터리 산업에서는 이러한 요소들 간의 적절한 균형을 찾아야 한다.
유럽 특허청(EPO) 자료에 따르면, 혁신은 여전히 리튬이온 배터리에 집중되고 있는 것으로 나타났는데, 배터리 관련 특허 출원의 45%가 이 기술에 해당되는 반면, 다른 배터리 화학 기술은 7.3%를 차지했으며, 나머지는 제조 및 엔지니어링 분야에 초점을 맞추고 있다.
지금까지 리튬이온 배터리 기술의 발전은 대부분 새로운 양극재의 연구 및 후속 적용에 집중되어 왔습니다. 양극재는 배터리에서 가장 비싼 구성 요소이기 때문에 배터리 연구의 주된 초점이 되어 왔습니다. 일반적인 양극재는 코발트, 니켈, 망간 산화물을 주성분으로 하는 경향이 있으며, 연구 결과에 따르면 현재의 시장 수요를 고려할 때 코발트 공급량은 2030년 이전에 고갈될 것으로 추정됩니다. 따라서 점점 고갈되어 가는 코발트 공급에 대한 의존도를 줄이기 위해서는 대체 소재를 찾는 것이 필수적이다.
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양극 재료에 대한 연구는 그다지 광범위하게 이루어지지 않았기 때문에, 양극 최적화만으로도, 혹은 음극 최적화와 병행하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 상당한 가능성이 존재한다.
현재 리튬이온 배터리 기술에서는 주로 흑연, 실리콘, 티타네이트 리튬(LTO) 등 세 가지 유형의 음극재를 사용하고 있다.
흑연이 단연 가장 널리 사용되며, 리튬 이온 배터리의 90~95%가 흑연 음극을 사용하는 것으로 추정됩니다. 리튬 이온은 충전 시 흑연 층 사이에 삽입(intercalation)되어 쉽게 저장될 수 있으며, 방전 시에는 이 삽입된 리튬 이온이 다시 빠져나오는(deintercalation) 과정이 일어납니다. 흑연은 평균적인 에너지 밀도를 보입니다. 이 소재는 세 가지 재료 중 가장 저렴하며, 수백 회에서 수천 회 사이의 충전·방전 사이클을 견딜 수 있는 적당한 수명을 가지고 있습니다. 그러나 방전 시의 전력 밀도는 양호하지만, 급속 충전을 사용할 경우 안전상의 한계가 존재합니다. 이러한 안전상의 한계는 리튬 덴드라이트 형성 또는 리튬 도금 현상에 기인할 수 있는데, 이는 양극이 리튬 이온을 충분한 속도로 흡수하지 못해 충전 과정에서 양극에 금속 미세 구조가 형성되는 현상입니다. 이러한 리튬 덴드라이트는 내부 단락을 일으켜 치명적인 배터리 고장을 초래할 수 있습니다.
실리콘 또는 실리콘 산화물 양극 재료는 에너지 밀도가 더 높은 배터리에 사용됩니다. 실리콘 기반 양극의 높은 에너지 밀도는 리튬 이온을 저장할 수 있는 높은 잠재 용량에 기인할 수 있습니다. 즉, 각 실리콘 원자는 최대 3.75개의 리튬 이온을 결합할 수 있는 반면, 흑연의 각 탄소 원자는 리튬 이온의 1/6만 결합할 수 있습니다. 실리콘이나 실리콘 산화물을 흑연과 혼합하면 순수 흑연 음극에 비해 향상된 잠재 용량을 얻을 수 있습니다. 실리콘 기반 음극 재료는 가격 면에서 합리적입니다. 흑연보다는 비싸지만 LTO보다는 현저히 저렴하며, 전력 밀도도 우수합니다. 실리콘 기반 음극 재료의 주요 문제는 수명입니다. 리튬 이온의 삽입 또는 탈삽입 과정에서 음극 구조는 엄청난 부피 변동을 겪게 되어, 수명이 불과 수백 사이클로 제한됩니다.
LTO 양극재는 높은 출력과 긴 수명을 나타내며, 그 수명은 흑연 및 실리콘 기반 배터리보다 최대 10배 더 길 수 있습니다. 최적화 과정을 거치면 수만 회의 충방전 주기를 기대할 수 있으며, LTO 기반 배터리는 다른 대안들에 비해 충전 속도가 현저히 빠릅니다. 그러나 결정 구조 내에 포함될 수 있는 리튬 이온의 수가 제한적이어서 배터리 크기가 지나치게 커지는 문제가 발생합니다. 예를 들어 전기차에 적용할 경우, 차량의 약 절반을 배터리가 차지하게 될 것입니다. 같은 이유로 LTO 양극을 사용하는 배터리는 가격이 매우 비쌉니다.
양극재 분야의 현재 연구에는 경질 탄소 및 연질 탄소 기반 소재의 개발이 포함됩니다. 이러한 소재는 흑연보다 높은 전압을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 덴드라이트 형성을 방지하여 배터리의 안전성을 향상시킵니다. 이러한 소재와 관련된 과제로는 부반응 및 리튬 손실의 저감이 있습니다. 또한, 혼합 니오브 산화물 소재는 LTO와 동일한 장점을 가지면서도 더 경쟁력 있는 에너지 밀도와 낮은 비용을 갖추고 있어 주목받는 양극재입니다.
개발 잠재력
현재 배터리 기술의 과제와 한계를 극복하기 위해, 광범위한 용도 분야에서 양극재의 추가적인 개발 가능성이 분명히 존재합니다.
맥킨지의 ‘배터리 2030(Battery 2030)’ 보고서에 따르면, 리튬이온 배터리 수요는 매년 약 27%씩 증가할 것으로 예상되며, 2022년 약 700 GWh였던 수요가 2030년에는 약 4.7 TWh로 늘어날 전망이다. 리튬이온 배터리 가치 사슬 규모는 2022년 약 850억 달러에서 2030년에는 4,000억 달러 이상으로 증가할 것으로 전망된다.
따라서 향후 몇 년 동안 배터리 기술과 관련된 혁신과 특허 출원 활동이 계속될 것으로 예상할 수 있습니다.
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“현재 배터리 기술의 과제와 한계를 극복하기 위해, 광범위한 용도 분야에서 양극재의 추가적인 개발 가능성이 분명히 존재합니다.”
