LG엔솔, 도요타 제쳤다..500회 충방전 전고체 배터리 최초 개발

LG에너지솔루션 배터리 자료사진

LG에너지솔루션이 일본 도요타가 전고체 배터리에서 해결해야 할 과제로 꼽은 '수명' 문제를 해결했다. 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발하면서다.

전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 액체에서 고체로 대체한 배터리로 기존 리튬이온배터리보다 에너지 밀도와 안전성이 높다. 전고체 배터리가 상용화되면 앞으로 전기차의 화재 가능성이 '제로(0)'에 가까워질 전망이다.

LG에너지솔루션은 미국 샌디에이고 대학교(UCSD)와 공동 연구로 상온(25℃)에서 충방전 수명이 500회 이상인 장수명 전고체 배터리 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

실리콘 음극재를 적용한 전고체 배터리 중 상온에서 충방전 수명이 500회 이상인 건 세계 최초 사례다. 리튬 금속을 음극으로 적용한 기존 전고체 배터리는 온도에 민감해 60℃ 이상의 고온 환경에서만 느리게 충전할 수 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전고체 배터리의 음극에서 도전(導電)재와 바인더를 제거하고 5um(마이크로미터) 내외의 입자 크기를 가진 '마이크로 실리콘 음극재'를 적용했다. 실리콘 음극재를 적용하는 배터리는 충전 속도가 빠르다. 실리콘은 소재 특성상 부피 팽창이 될 수 있다는 단점이 있으나 LG에너지솔루션은 모회사인 LG화학에서 생산한 탄소나노튜브 소재를 적용해 문제를 해결했다.

LG에너지솔루션이 개발한 전고체 배터리는 500번 이상의 충전과 방전 이후에도 80%이상의 잔존 용량을 유지한다. 이는 현재 상용화된 리튬이온배터리와 비슷한 수준의 성능이다. LG에너지솔루션에 따르면 리튬이온배터리는 보통 상온에서 500~800번 이상 충방전 이후 80% 이상 수준을 유지한다. 전고체 배터리는 리튬이온배터리에 비해 에너지 밀도도 약 40% 높일 수 있다.

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'도요타의 난제' 전고체 배터리 수명…LG엔솔, 세계 최초로 해결

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이는 전 세계에서 전고체 배터리 관련 특허를 가장 많이 보유한 일본 도요타보다 앞선 기술이다. 도요타는 지난 7일 전고체 배터리를 탑재한 최초의 차량을 공개하면서 전고체 배터리가 아직 수명이 짧다는 문제가 남아있다고 밝힌 바 있다. 도요타는 2~3년 내 전고체 배터리를 장착한 전기차를 판매할 방침인데 이를 위해 아직 추가적인 개발이 필요하다.

LG에너지솔루션도 전고체 배터리 부문에서 해결해야 할 과제는 남아있다. 전해질은 리튬이온이 양극에서 음극으로, 음극에서 양극으로 원활하게 이동하도록 돕는 역할을 하기 때문에 이온전도도가 높을수록 유리하다. 그러나 고체 전해질은 액체보다 전도도가 떨어지는 상황이다. LG에너지솔루션 개발자들은 고체 전해질의 이온전도도를 높이는 것을 최우선 과제로 삼고 연구하는 중이다.

배터리업계에 따르면 전고체 배터리 시장은 2025년 열릴 전망이다. NH투자증권은 전고체 배터리 시장이 2025년 15GWh(기가와트시)에서 2030년 121GWh로 확대될 것으로 관측하고 있다. LG에너지솔루션은 2025년쯤 전고체 배터리 샘플을 개발한다는 목표다.

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차세대 리튬황배터리 개발도 속도…"UAM 배터리 시장도 잡겠다"

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LG에너지솔루션은 차세대 전지로 리튬황배터리 개발에도 속도를 내고 있다. 리튬황배터리는 기존 리튬이온배터리의 양극 활물질에 황(S)을 넣은 배터리다. 기존엔 양극 활물질에 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄), LFP(리튬·인산·철) 등을 넣었다면 황을 넣으면서 용량도 극대화하고 무게가 획기적으로 가벼워질 수 있다. 코발트 등 고가의 양극 소재 대신 흔하고 저렴한 황을 사용하면 가격 경쟁력도 확보할 수 있다.

리튬황배터리는 이론적으로 최대 에너지밀도가 kg당 2500Wh(와트시)에 달해 최대 에너지밀도가 500Wh/kg인 리튬이온배터리에 비해 4배 높다. 이 때문에 리튬황배터리는 신규 항공분야인 UAM(도심항공교통)에 적합한 차세대 전지로 불린다. 2040년 UAM 배터리 시장 규모는 11조2000억원(40GWh)에 달할 전망인데 LG에너지솔루션은 이를 선점할 계획이다.

LG에너지솔루션 관계자는 "차세대 제품 다각화를 통해 고객에게 다양한 선택지를 제공할 것"이라며 "안전을 최우선으로 하는 고객에게 안전성에 특화된 전고체 배터리를 공급하고, 값싸고 가벼운 배터리를 원하는 고객에게 리튬황 전지를 제공하는 것을 목표로 하고 있다"고 말했다.

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최민경 기자 eyes00@mt.co.kr

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