배터리株 폭락 끄떡없다···중소기업도 ‘꿈의 배터리’ 소재·장비 뛰어들었다

아이엘사이언스, 국제 학술지에
탄소나노튜브 등 전고체 전지 소재 논문 등재
씨아이에스, 씨아이솔리드 합병해 전고체 장비 개발 가속화

[서울경제]

‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리 분야 소재·장비 개발에 중소 기업들이 뛰어들고 있다.

스마트 광학 기업 아이엘사이언스(307180)는 송성근 대표와 가천대 소재 ‘차세대 이차전지 R&D센터’의 고재환 박사가 공동 저자로 저술한 논문이 최고 권위의 국제 학술지 ‘카본(Carbon)’에 등재됐다고 밝혔다. 아이엘사이언스와 가천대 연구진은 전고체 전지를 위한 차세대 음극(리튬음극, 실리콘음극)을 개발 중이며 2019년부터 2023년까지는 실리콘음극 고성능화(부피팽창 억제, 실리콘함량 증대) 연구를 진행했다.

카본(Carbon)은 탄소재료 분야 및 저차원 탄소기반 나노구조를 전문으로 다루는 저널이다. 카본을 출간하는 엘스비어(Elsevier)는 1880년 네덜란드 암스테르담에서 설립돼 144년의 역사를 자랑하는 과학, 기술, 의학 분야 전문의 아카데믹 퍼블리셔다.

이번 논문은 차세대 이차전지 R&D센터의 고재환 박사, 아이엘사이언스의 송성근 대표, 가천대학교 ‘전지 및 에너지 변환 연구소’(Energy Materials Lab)의 윤영수 교수 및 석사과정 강하은씨가 공동으로 저술해 발표했다. 논문 제목은 ‘리튬 이온 배터리용 실리콘의 부피 팽창을 억제하고 전기 전도도를 높이기 위한 탄소 나노튜브와 그래핀을 활용하는 최근의 진전’이다.

고재환 박사는 “실리콘은 높은 이론 비용량, 낮은 작동전위, 풍부한 자원 등이 장점으로 리튬과 마찬가지로 유망한 음극물질”이라며 “본 논문은 실리콘 음극의 고성능화를 위해 고강도·고전도성 카본나노 소재인 탄소 나노튜브와 그래핀을 활용한 최근 연구동향을 다루고 있다”고 설명했다.

탄소 나노튜브와 그래핀은 최근 개발된 고강도·고전도성 탄소 동소체로 제조 방법이 발견된 후 다양한 산업에 적용하기 위한 시도들이 추진되고 있다. 특히 리튬이온배터리의 전극 제조 분야에서도 많은 연구들이 진행되고 있다. 이번 논문에서는 고성능·고안정성의 실리콘 컴포지트(composite) 전극 개발을 위한 기능성 물질로서 탄소 나노튜브와 그래핀을 적용한 사례와 각 연구들의 평가 결과들을 정리했다.

아이엘사이언스는 이 논문에서 소개된 연구들을 토대로 나노튜브와 그래핀을 활용한 실리콘 컴포지트(composite)의 상용화에 적용한다는 계획이다. 아이엘사이언스 관계자는 “리튬 2차전지에서 가장 이상적인 음극물질인 리튬음극과 실리콘음극 개발에 주력하고 있다”며 “이 논문에서 다룬 카본나노 소재뿐만 아니라 가천대 전지 및 에너지변환 연구센터에서 개발 중인 고성능 이온 전도체를 활용한 고성능, 고안정성 실리콘 복합재 음극의 설계 및 제조도 산학협력을 통해 연구 중”이라고 밝혔다.

중소기업의 전고체 분야 장비 개발 행보에도 눈길이 끌린다. 2차전지 전극공정 제조장비 전문 기업 씨아이에스(222080)는 전날 자회사 씨아이솔리드를 합병 사실을 알렸다. 씨아이솔리드는 전고체 배터리 소재 및 장비 개발을 보다 전문화하기 위해 2021년 세워졌다.

씨아이에스 측은 합병을 통해 중복 개발에 따른 비효율성을 개선하고 양사의 전고체 배터리 관련 기술력을 강화할 수 있을 것으로 기대했다. 합병 이후 양사의 개발 인프라 융합을 통해 전고체 관련 소재, 장비, 공정기술에 대한 개발 역량과 인적, 물적 자원 활용 효율성이 강화된다는 것이다.

씨아이에스는 다른 2차전지 공정장비 보다 진입 장벽이 높은 전극공정 장비 사업을 펼치고 있다. 전극을 형성하는 코팅 장비, 코팅 장비에서 형성된 전극의 단위 면적당 밀도를 높이기 위해 수 톤의 압력을 가해주는 캘린더링 장비, 일정한 폭으로 전극을 잘라주는 장비(슬리터) 등이 대표적이다. 회사 관계자는 “차세대 전지로서 기업들의 공격적인 연구개발이 이뤄지고 있는 전고체 배터리 분야에서도 전극의 성능과 생산성을 극대화하기 위해 건식 코터의 도입이 필수적인 상황”이라며 “합병을 통해 글로벌 최고 수준의 전고체 소재 및 공정장비 공급업체로 거듭날 것”이라고 강조했다.

배터리 업계에선 글로벌 선도 기업들의 전고체 배터리 상용화 목표 시점으로 2027년~2028년을 내다보고 있다. 국내에선 삼성SDI(006400), LG에너지솔루션(373220), SK온 등 배터리 셀 3사가 모두 전고체 배터리 양산에 도전하고 있는 상황이다.

김기혁 기자 coldmetal@sedaily.com