美 스타트업 아덴에너지, 3분내 충전가능 전고체 배터리 개발…3∼5년내 상업용 샘플 양산

미국 스타트업 아덴에너지(Adden Energy)가 하버드대 기술개발처(Office of Technology Development, OTD)의 독점기술을 바탕으로 혁신적인 전고체배터리를 개발했다. 3분 내 충전이 가능해 EV 배터리 분야에서 게임 체인저가 될 수 있을 것으로 기대된다.

전고체배터리는 산업적인 규모로 제조되기 전에 기술적인 문제를 해결해야 하지만 미래에 유망한 기술이다. EV 배터리 개발 신생업체인 아덴 에너지가 개척한 새로운 유형의 전고체 배터리는 성능과 신뢰성의 도약을 의미한다.

리튬 금속 기술을 기반으로 한 이 배터리는 일생 동안 1만회 이상의 주기로 3분의 충전 속도를 달성할 수 있다고 관계자는 설명했다.

실험실 테스트를 위해 아덴에너지에서 개발한 코인 셀 프로토타입(시제품)은 현재처럼 닮지 않았다. 그럼에도 불구하고 아덴에너지는 배터리를 손바닥 크기의 파우치 셀로 확장하고 더 나아가 본격적인 EV 배터리로 확장하기를 원한다.
하버드대 재료과학 부교수이자 아덴에너지의 과학 고문인 신 리(Xin Li)는 “우리는 우리 기술이 다른 전고체 배터리와 비교할 때 독특하다고 생각하기 때문에 이 기술을 상용화하기 시작했다”라고 주장했다

그는 “우리는 실험실에서 배터리 수명 동안 5000~1만 번의 충전 주기를 달성했으며 현재 동급 최고 수준의 경우 2000~3000번의 충전 주기를 달성했으며 배터리 기술을 확장하는 데 근본적인 한계가 없다고 본다. 게임 체인저가 될 수 있다”고 덧붙였다.

아덴에너지의 CEO인 피츠휴(Fitzhugh)는 “차량의 완전한 전기화는 기후 변화에 맞서기 위해 취할 수 있는 가장 의미있는 조치중 하나이다. 그러나 전기차의 광범위한 채택에는 다양한 소비자 요구를 충족할 수 있는 배터리가 필요하다. 미국인 37%는 집에 차고가 없어 집에서 야간 충전이 불가능하다. 이 부문에 전기를 공급하기 위해 EV는 내연 기관 차량과 비슷한 시간에 충전해야 한다. 이는 현재 주유소에서 보내는 시간이다”라고 설명했다.

배터리는 리튬 금속 양극에서 덴드라이트 형성을 방지하는 새기술을 사용한다. 혁신적 고체 전해질은 이 기술에 필수적이며 리튬 덴드라이트 침투 없이 초고전류 밀도를 달성할 수 있다.

전해질은 "더 안정적인 고체 전해질 사이에 덜 안정적인 전해질 구조가 끼워진 다층 디자인"이 특징이다. 덴드라이트 성장은 덜 안정적인 전해질 층 내부에서 발생하지만 형성된 모든 균열은 "역시 잘 구속되는 동적으로 생성된 분해" 에 의해 빠르게 채워진다.
리튬 덴드라이트(lithium dendrite)는 리튬 이온 전지를 사용할 때 생기는 나뭇가지 모양의 결정이다. 전지의 양극에 뿌리를 두고 무작위로 자라나며 너무 크게 자라면 양극과 음극을 분리하는 전극간의 디바이더를 뚫고 단락을 일으킨다. 내부 단락이 일어난 전지는 기전력을 잃는다. 리튬 덴드라이트가 일어나면 전지를 가로질러 흐르는 전류가 급격히 증가하여 발생한 줄 열로 화재의 원인이 되기도 한다. 리튬이온 배터리가 상용화되기 전에 배터리의 최대 문제로 꼽혔었다.

1년 전 네이처(Nature)에 발표된 연구에 따르면 리튬 이온 배터리용 음극재료 “LiNi0.8 Mn0.1 Co0.1 O2”와 짝을 이루는 리튬 금속 양극의 사이클링 성능은 매우 안정적이다. 2만사이클 후 용량 유지는 20C 비율에서 82% 이상이다.

비에너지(specific energy)가 110.6kW/kg이며 에너지 밀도 (energy density) 최대 631.1Wh/kg 더불어 인상적이다

비에너지는 단위 질량당 에너지이다. 에너지 밀도라고 불리기도 하지만 에너지 밀도는 단위 부피 당 에너지로 이야기하는 것이 더 정확하다.

결과는 다른 리튬 이온 배터리 프로젝트보다 훨씬 뛰어나며, “아덴 에너지”는 향후 3~5년 내에 상업용 샘플을 보유할 수 있다고 확신한다.


김세업 글로벌이코노믹 기자