[서울=뉴스핌] 이윤애 기자 = LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션 등 국내 배터리 3사의 차세대 배터리 기술 개발 경쟁이 불 붙고 있다.

특히 각 사는 저마다 의미있는 기술 개발을 적극적으로 홍보하면서 '우리 기술이 최초'라는 점을 강하게 설명하고 있다. 기술 개발을 둘러싼 배터리 3사의 기선잡기가 이목을 끄는 대목이다.

◆LG화학, 리튬-황 배터리 활용 국내 최초 비행 테스트 성공

13일 관련업계에 따르면 LG화학은 최근 한국항공우주연구원에서 개발한 고고도 장기 체공 태양광 무인기(EAV-3)에 리튬-황 배터리를 탑재해 성층권 환경에서 비행하는 시험에 성공했다. 리튬-황 배터리 활용한 비행 테스트는 국내 최초다.

[서울=뉴스핌] 이윤애 기자 = 리튬-황 배터리를 탑재한 고고도 태양광 무인 항공기 EAV-3 [사진=LG화학] 2020.09.10 yunyun@newspim.com

성층권은 대류권(지상~12km)과 중간권(50~80km) 사이에 위치한 대기층(고도 12~50km 사이)으로 영하 70도의 낮은 온도와 대기압이 지상 대비 25분의 1수준인 진공상태로 극한의 환경이다.

리튬-황 배터리는 리튬이온 배터리를 대체할 차세대 배터리 중 하나로 꼽힌다. 양극재에 황탄소 복합체, 음극재에 리튬 메탈 등 경량 재료를 사용해 무게 당 에너지 밀도가 기존 리튬이온 배터리 대비 1.5배 이상 높은 배터리다. 기존 리튬이온 배터리 보다 가볍고 희귀 금속을 사용하지 않아 가격경쟁력이 뛰어난 것이 장점이다.

LG화학은 "리튬-황 배터리를 2025년 이후 양산할 계획"이라고 말했다. 현재 리튬이온 배터리의 양산 공정을 활용할 수 있는 타입의 전고체 배터리도 개발중이다.

니켈 함량을 85~90%까지 올린 NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 양극재를 적용한 리튬이온 배터리는 오는 2022년 출시를 목표로 세웠다.  

◆삼성SDI, 전고체 난제 '덴드라이트' 세계 최초로 풀어내

올해 배터리 업계의 핫한 기술 이슈는 단연 전고체 배터리다. 삼성SDI는 전고체 배터리를 통해 증권가 등 시장의 관심을 한 몸에 받고 있다.

이 회사는 1회 충전으로 800km을 주행하고 1000회 이상 재충전이 가능한 전고체 배터리 기술을 올해 초 공개했다. 정확히는 삼성전자 종합기술원이 기술 개발의 전진기지다. 전고체 배터리의 상용화를 위해 넘어야 할 난제인 '덴드라이트(Dendrite)' 문제를 세계 최초로 풀었다고 평가 받는다.

덴트라이트는 배터리를 충전할 때 리튬이 음극 표면에 쌓이면서 나뭇가지 모양의 결정체가 생기는 현상으로 배터리의 성능을 떨어트리거나 폭발의 위험이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 전지 음극에 5마이크로미터 두께의 은·탄소 나노입자 복합층을 적용한'석출형 리튬음극 기술'을 세계 최초로 적용했다. 삼성SDI는 이르면 2027년 전고체 배터리 상용화를 예상하고 있다. 

하이니켈 기술도 앞서 나간다. 삼성SDI는 출시를 앞두고 있는 5세대 전기차 배터리 '젠5'에 하이니켈 기술을 접목한 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 기술을 적용한다. 젠5는 내년 독일 BMW가 출시하는 전기차에 공급될 것으로 알려졌다. 니켈 함량은 88퍼센트 이상으로 배터리 용량을 업계 최고 수준으로 끌어 올렸다. 이를 통해 한번 충전에 600키로 이상 주행할 수 있는 전기차가 나올 전망이다.

리튬이온 배터리(좌)와 전고체 배터리(우)의 구조<출처=삼성SDI>

◆SK이노, NCM구반반 배터리 세계 최초 상용화

SK이노베이션은 하이니켈 기술력에 있어서 글로벌 최고 수준이라고 자신한다. 

SK이노베이션은 세계 최초로 'NCM구반반(니켈 90%, 코발트 5%, 망간 5%)' 양극재를 적용한 배터리를 내년부터 본격 양산할 계획이다. 특히 포드가 2023년 양산 예정인 전기 픽업트럭 'F-150'에 탑재되는 것으로 알려졌다. 

NCM구반반에 이어 니켈을 90% 중반대까지 높인 초고밀도 배터리를 개발하고 있다. 에너지밀도를 높이기 위해 음극재에 실리콘(Si)을 첨가하는 기술을 개발 중이다. 규소를 음극재에 적용하면 현재 배터리 음극재에 일반적으로 들어가는 흑연을 넣을때보다 에너지밀도가 4배로 높아진다. 앞서 NCM811(니켈 80%, 코발트 10%, 망간 10%) 양극재를 적용한 배터리도 2016년 세계 최초로 개발하고 2018년부터 양산 중이다. 

차세대 배터리로 하나로 평가받는 리튬 메탈 배터리 구현을 위한 '고체 전해질' 연구에도 박차를 가하고 있다. 특히 리튬이온 배터리 시대를 연 인물이자, 2019년 노벨화학상 수상자인 존 굿이너프 미 텍사스대학교 교수와 국내 최초로 손잡고 차세대 배터리 기술 개발에 나선다고 밝혀 업계의 주목을 받았다.

한편, 전기차 배터리 분야에서는 배터리 3사간 기싸움은 한창이다. LG화학과 SK이노베이션의 특허 소송전이 단적인 사례다. 기술 개발만이 배터리 톱플레이어를 담보할 수 있다.

전기차 배터리의 과제는 단연 '주행거리 향상'이다. 이를 위해서는 배터리의 밀도를 높여야 한다. 현재 가장 널리 활용되는 리튬이온 배터리의 니켈 비중을 높이는 동시에 이를 대체할 차세대 배터리 기술은 각 사가 주력하는 기술 경쟁의 핵심이다.

한 업계 관계자는 "전기차 시장이 폭발적으로 성장하고 있어 미래 배터리에 대한 준비가 필요한 시점"이라며 "현재는 널리 활용되는 리튬이온 배터리 성능 향상이 주효하지만 몇년 내에 주행거리와 충전시간 등 소비자들이 원하는 수준으로 가기 위한 차세대 배터리 개발에서 승부가 날 것"이라고 했다. 

yunyun@newspim.com