배터리는 에너지를 담아서 쓰는 일종의 '그릇'에 비유할 수 있다. 에너지는 전자를 분리해 내놓는 '산화'와 전자를 받아 합쳐지는 '환원' 이라는 화학 반응을 이용해 만든다. 따라서 배터리 성능을 높이려면 배터리를 구성하는 소재 그 자체를 이해하는 일이 가장 중요하다. 양극재, 음극재, 분리막, 전해질을 배터리 핵심소재로 부르는 이유다.

양극재는 배터리 원가의 약 40%를 차지하고, 그간 니켈 함량을 높이는 방향으로 성능 개선이 이뤄졌다. 다만 니켈은 에너지를 많이 담을 수 있는 반면에 함량이 높아질수록 불안정해진다. 하이니켈 양극재를 코팅하는 기술이 중요한 건 바로 이 때문이다.

또 다른 방법은 양극재 구조의 변화다. 양극재는 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 여러 금속 소재로 이루어져 있다. 이 사이로 리튬이 드나들면서 양극재 수명이 줄어든다. 양극재가 쉽게 부서지고 이 과정에서 가스가 발생한다.

일반적으로 여러 개의 결정을 하나로 구성한 다결정으로 양극재를 만들어왔다면, 최근에는 다결정이 아닌 단결정 소재로 개발이 적극 진행 중이다. 단결정은 다결정 양극재와 비교했을 때 가스 발생량이 줄어들고, 공간을 효율적으로 쓸 수 있다. 더 많은 양극재를 배터리에 적용해 전기차 주행거리를 늘릴 수 있다.

음극재는 배터리의 성격을 결정하는 요소다. 양극재와 마찬가지로 리튬이 드나들어도 구조를 잘 유지해야 한다. 소재 특성이 우수한 탄소(C)가 선호되는 배경이다. 탄소 덩어리 천연흑연이 음극재로 사용되는 것도 마찬가지다. 다만 음극재를 한 번에 바꾸기가 쉽지 않다. 배터리 성격을 결정하기 때문에 음극재가 바뀌면 새로운 형태의 배터리라고 말할 수 있다. 한 번 플랫폼이 정해지면 오랫동안 사용한다는 의미다. 

실리콘 음극재는 배터리 음극재에 실리콘(Si)을 첨가한 것을 말한다. 기존 천연흑연으로 만든 음극재가 그램(g)당 372밀리암페어(mAh)의 에너지 밀도를 가지고 있다면, 실리콘 음극재는 최소 400mAh 이상의 에너지 밀도를 제공한다. 같은 무게라면 더 많은 에너지를 담을 수 있어 전기차 1회 충전거리 연장이 가능하다.

전해질은 첨가제 기술이 중요하다. 첨가제는 전극 표면에 피막을 만들어 보호하는 역할을 한다. 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상을 억제하고 과충전을 방지하는 등 거의 모든 성능에 관여한다. 전해질에서 차지하는 비율이 1%에 불과하지만 첨가제가 바뀌면 기존보다 오래 쓰고 용량이 많아진 배터리를 만들 수 있다.

분리막도 코팅 소재와 기술에 따라 성능이 천차만별이다. 핵심은 내열 온도를 높이는 일이다. 분리막은 200℃ 내외의 온도에서 파열되고, 양극과 음극이 맞닿으면 열폭주로 이어진다. 업계에서는 내열 온도를 250℃ 이상으로 올리고 분리막 표면을 알루미나 등 세라믹 소재로 코팅하면서 바인더(접착제)까지 동시에 뿌려주는 기술을 개발 중이다.

전자부품 전문미디어 《디일렉》은 7월 11~12일 이틀간 여는 '딥테크 포럼 2023'에서 세상을 바꿀 게임체인저 배터리 기술을 선보인다. LG에너지솔루션을 비롯해 LG화학, 포스코퓨처엠, 에코프로머티리얼즈, 동화일렉트로라이트, 더블유씨피 등 배터리 핵심소재를 만드는 기업들이 최신 트렌드를 발표한다.

필에너지, 제일엠앤에스, 코그넥스와 같은 배터리 장비 기업도 생산성 향상을 위한 최신 장비 기술을 소개한다. 최근 화두로 떠오른 리튬인산철 기술은 럼플리어가 맡았다.

디일렉=이수환 기자 [email protected]
《반도체·디스플레이·배터리·자동차전장·ICT부품 분야 전문미디어 디일렉》

◈ 행사 개요
– 행사명 : 세상을 바꿀 첨단 기술 디일렉 딥테크 포럼 2023
– 주최 및 주관 : 디일렉 / 와이일렉
– 일시 : 2023년 7월 11~12일
– 장소 : 포스코타워 역삼 3층 이벤트홀 (역삼역 3번 출구 도보 3분)
– 참가비용
  ● 조기등록 6월 30일까지 : 55만원(2일 프리패스),  33만원(1일권)
  ● 사전등록 7월 1~10일 : 66만원(2일 프리패스),  38.5만원(1일권)
  ● 현장등록 : 70만원(2일 프리패스), 44만원(1일권)
- 참가 문의 : 디일렉 김상수 국장 [email protected] 010 5278 5958

◈ 세부 일정

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