1회 충전에 900㎞… 리튬메탈 음극재 개발 나선 배터리社

국내 배터리·소재 업계가 에너지 밀도 향상을 위해 잇달아 리튬메탈 음극재 개발에 뛰어들고 있다. 그동안 배터리는 주로 양극 소재의 니켈 함량을 늘려 배터리 에너지 밀도를 높이는 방향으로 기술 개발이 이뤄졌지만, 이 같은 방식이 점차 한계에 다다르며 음극재 개선에 대한 요구가 커지고 있다.

리튬메탈 음극재는 기존 흑연 기반 음극재와 비교해 에너지 밀도가 높아 배터리를 경량화할 수 있고 충전 속도도 빠르다.

리튬메탈 음극재를 탑재한 리튬메탈 배터리의 특징. / LG에너지솔루션 제공

5일 업계에 따르면 에코프로는 이날부터 7일까지 서울 코엑스에서 열리는 ‘인터배터리 2025’에서 리튬메탈 음극재 개발 계획을 공개한다. 에코프로가 리튬메탈 음극재 개발에 대해 공식적으로 밝힌 것은 이번이 처음이다. 에코프로 측은 “자회사 에코프로이노베이션이 캐나다 퀘백전력공사 하이드로 퀘벡과 리튬메탈 기술을 공동 개발하고 있다. 전고체 배터리용 황화리튬 생산을 위한 파일럿 라인도 오는 2026년 구축할 예정”이라고 밝혔다.

포스코퓨처엠도 포스코홀딩스(POSCO홀딩스) 산하 미래기술연구원을 통해 리튬메탈 음극재 개발에 뛰어든 상태다. 포스코퓨처엠은 현재 국내 업체 중 유일하게 천연·인조흑연 음극재를 생산하고 있는데, 리튬메탈까지 제품군을 확장해 경쟁력을 높인다는 계획이다.

리튬메탈 음극재는 배터리 음극 집전체로 기존 흑연 대신 리튬 금속을 사용한다. 리튬이온배터리는 충전할 때 양극에서 빠져나온 리튬이온이 음극으로 이동해 저장되고, 방전 시 음극에 있던 리튬 이온이 다시 양극으로 이동하며 전자를 방출해 전기를 만든다. 따라서 음극이 얼마나 많은 리튬을 저장할 수 있느냐가 배터리의 에너지 밀도를 결정하는 중요한 요소다.

리튬메탈 배터리에서 발생하는 덴드라이트 현상. / LG에너지솔루션 블로그 캡처

리튬메탈 음극재는 내부의 미세한 공간을 통해 리튬이온을 저장하는 흑연 음극재와 달리, 그 자체가 리튬 금속으로 이뤄져 있다. 리튬메탈의 이온 저장 능력은 이론상 흑연보다 10배 이상 높고, 리튬메탈 음극재를 탑재한 배터리는 현행 리튬이온 배터리보다 40~50% 개선된 에너지 밀도를 구현하는 것으로 평가된다. 1회 충전 시 900㎞ 이상을 주행할 수 있는 전기차를 만들 수 있는 셈이다.

리튬메탈 음극재를 활용하면 충전 속도도 기존 리튬이온배터리 대비 2배 이상 빨라져 방전 상태에서 80%까지 충전하는 데 약 15분만 소요되는 것으로 알려졌다. 음극의 두께를 얇게 만들 수 있어 배터리 부피를 줄일 수 있고, 배터리 제조 공정 역시 기존과 유사해 현행 장비를 활용할 수 있는 장점도 있다.

리튬메탈 음극재 상용화를 위해선 ‘덴드라이트(Dendrite)’라는 기술적 장벽을 넘어서야 한다. 이는 충전 과정에서 음극 표면에 리튬 결정이 형성돼 뾰족한 나뭇가지 모양의 결정체로 자라나는 현상이다. 덴드라이트가 커지면 분리막을 손상하고 양극 표면까지 성장해 양극과 음극의 내부 단락을 일으킨다.

LG에너지솔루션과 KAIST가 개발 중인 리튬메탈배터리 기술 관련 인포그래픽. /LG에너지솔루션 블로그 캡처

국내에서 리튬메탈 음극재 분야에서 가장 앞섰다는 평가를 받는 기업은 LG에너지솔루션(LG엔솔)이다. LG엔솔은 2027년 리튬메탈 음극재를 탑재한 리튬메탈 배터리를 소용량 시스템용으로 개발하고, 향후 전기차 등 고용량 제품으로 확대한다는 계획이다.

LG엔솔은 지난 2021년 KAIST와 공동 연구센터를 열고 리튬메탈 배터리의 성능을 획기적으로 늘릴 수 있는 붕산염-피란(borate-pyran) 기반 액체 전해액을 세계 최초로 개발했다. 회사는 “기존 전해액은 리튬메탈 음극재와 닿으면 부식 반응이 발생해 수명과 안전성을 위협했지만, 이 전해액을 이용하면 부식을 제어할 수 있다. 덴드라이트 극복에도 한발 다가선 것으로 평가된다”고 밝혔다.

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