LG엔솔, 상온 충전 전고체 배터리 개발

충전 온도 한계·속도 개선
美 샌디에이고대와 공동연구
사이언스지 최신호 게재
차세대 기술 경쟁 우위 선점

[아시아경제 최대열 기자] 국내 배터리 기업이 전고체 배터리의 약점으로 지목된 충전 과정에서의 한계를 극복한 기술을 개발했다. 전고체 배터리는 현재 주로 쓰는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 높이면서 안전성도 강화할 수 있어 차세대 배터리로 주목받는 제품이다. 수년 내 상용화를 목표로 글로벌 기술경쟁이 치열해진 가운데 유리한 고지에 올라섰다는 평가가 나온다.

LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고대(UCSD)와 함께한 이러한 기술개발 성과를 담은 공동 연구 논문이 과학저널 사이언스지 최신호(373권 6562호)에 실렸다고 24일 밝혔다. 회사에 따르면 이번 공동 연구는 전고체 배터리를 상온에서 빠른 속도로 충전할 수 있는 기술에 관한 내용이다. 기존에는 60도 이상 고온에서만 충전이 가능했는데 이러한 기술적 한계를 넘어선 것이다. 회사는 "실리콘을 적용한 전고체 배터리 가운데 상온에서 충방전 수명이 500회 이상인 건 이번이 처음"이라고 설명했다.

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체해 효율과 안전성을 모두 끌어올릴 수 있을 것으로 예상되는 제품이다. 액체 전해질은 온도 변화로 인한 팽창이나 외부 충격에 따른 누액 등으로 발생하는 사고를 막기 위해 안전장치가 필요하다. 반면 전고체 배터리는 구조적으로 안정적이고 원래 필요했던 안전장치·부품 대신 배터리 용량을 늘릴 수 있는 활물질을 채워 넣어 에너지 밀도를 높이는 게 가능하다.

차세대 배터리로 주목받아 개발경쟁이 치열한 배경이다. 다만 에너지 밀도를 높이기 위해 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리의 경우 온도에 민감해 고온 환경에서만 충전이 가능했다. 충전속도가 느린 점도 한계로 꼽혔다. LG와 UCSD 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 배터리 음극에서 도전재와 바인더를 제거하고 5㎛ 안팎의 입자 크기를 마진 마이크로실리콘 음극재를 적용했다.

LG에너지솔루션과 UCSD가 공동 개발한 상온 구동 장수명 전고체 전지의 충전 진행 과정＜사진제공:LG에너지솔루션＞

실리콘 음극재는 기존 흑연 음극재에 비해 10배 높은 용량을 가져 배터리의 에너지 밀도를 높이는 데 적합한 소재로 거론돼 왔으나 충·방전 시 부피 변화가 커 실제 적용하기 까다로운 것으로 전해졌다. 기존 연구에서는 실리콘 음극재의 부피 변화를 억제하기 위해 100㎚(나노미터, ㎛의 10분의 1) 이하의 입자 크기를 가진 나노실리콘을 적용했는데 이번 연구에 쓴 마이크로실리콘은 나노실리콘보다 싸고 쓰기 편하다. 아울러 500번 이상 충전과 방전을 한 이후에도 잔존용량이 80% 이상을 유지했다. 회사에 따르면 현재 널리 쓰이는 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도를 40%가량 높이는 게 가능하다.

이번 연구 결과는 LG에너지솔루션이 개방형 혁신(오픈 이노베이션)을 위해 해마다 진행하는 배터리 이노베이션 콘테스트(BIC)의 지원과제가 실제 성과로 이어진 것이다. 이 회사는 배터리 수명이나 안전성, 비용 등 모든 분야와 관련해 기술개발을 독려하기 위해 전 세계 대학·연구기관을 대상으로 기술제안을 받았다.

김명환 LG에너지솔루션 생산·구매최고책임자(CPO)는 "UCSD와의 연구 결과를 통해 차세대 배터리로 각광받고 있는 전고체 배터리 상용화에 한 걸음 더 다가갔다"며 "차세대 배터리 분야에서도 차별화된 기술력으로 세계 시장을 선도하겠다"고 말했다.

최대열 기자 dychoi@asiae.co.kr