‘꿈의 배터리’ 고체 배터리 고장 미스터리 풀렸다… MIT 연구팀 등 근본 원인 규명

차세대 전기차 시장의 최대 게임 체인저로 꼽히면서도 수년간 반복적인 내부 합선 문제로 상용화가 지연되었던 고체 배터리(전고체 배터리)의 결함 원인이 글로벌 공동 연구진에 의해 마침내 규명되었다.

배터리 내부에서 미세한 리튬 결정(덴드라이트)이 형성되어 고체 전해질 장벽을 뚫고 합선을 일으키는 원인이 명확히 밝혀짐에 따라, 그동안 업계를 괴롭혀온 과학적 미스터리가 제어 가능한 공학적 설계 과제로 전환되었다.

7월 21일(현지시각) 에너지 전문 매체 오일 프라이스(Oil Price) 보도와 글로벌 기술 분석에 따르면, 독일 막스 플랑크 지속가능소재연구소와 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT), 뮌헨 공과대학교 공동 연구팀은 각기 다른 연구를 통해 고체 배터리 고장을 유발하는 물리적·전기적 메커니즘을 성황리에 밝혀냈다.


그동안 엔지니어들은 충전 과정에서 리튬 구조가 고체 전해질을 뚫고 들어가 양극과 음극을 연결해 버리는 합선 현상을 사후적으로 관찰할 수 있었으나, 구체적으로 어떤 원인으로 고체 재료 내부를 관통하는지는 설명하지 못했다.
이번에 막스 플랑크 연구소팀은 국제학술지 '네이처(Nature)'를 통해 충전 중 리튬 축적이 배터리 내부에서 강력한 압력을 발생시키고, 이 압력이 고체 전해질 내부로부터 균열을 유발한다는 사실을 증명했다.

동시에 MIT와 뮌헨 공과대 연구진은 '네이처 나노기술(Nature Nanotechnology)'에 발표한 논문에서 고체 전해질 내부의 미세한 전기적 불균형이 국소적인 전류 집중 현상을 일으켜 원치 않는 리튬 결정이 성장하는 이상적 환경을 조성한다는 점을 규명했다.

이번 원인 규명으로 향후 배터리 제조사들은 전해질 파손 방지 및 전류 농도 억제라는 명확한 설계 가이드라인을 확보하게 되었다.


액체 전해질을 불연성 고체 재료로 대체하는 고체 배터리는 오늘날 기존 리튬이온 배터리 대비 압도적인 주행거리, 빠른 충전 속도, 향상된 에너지 밀도, 뛰어난 안전성을 제공한다.
특히 화재 및 과열 위험이 비약적으로 낮아지고 동일 공간에 더 많은 에너지를 적재할 수 있어 전기차뿐만 아니라 항공, 방위산업, 대형 에너지저장장치(ESS) 시장에서도 핵심 뇌세포로 꼽힌다. 자동차 제조사들이 기술적 난관에도 불구하고 개발을 포기하지 않고 수조 원대의 자본 투자를 지속해 온 이유다.


과학적 미스터리가 해결됨에 따라 글로벌 자동차 및 배터리 기업들의 상용화 경쟁은 더욱 거세질 전망이다.

혼다(Honda)는 일본 사쿠라시에 27,400㎡ 규모의 고체 배터리 시범 생산 라인을 구축하고 약 2억 8,000만 달러(약 4,140억 원)를 투입했다. 공기 틈을 줄이기 위한 롤 프레스 공정 및 얇은 냉각 시스템을 검증 중이다.

메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)는 팩토리얼 에너지가 공급한 리튬 금속 셀 기반 전고체 배터리를 탑재한 EQS 차량으로 슈투트가르트에서 말뫼까지 단일 충전으로 1,205km를 주행하는 실전 도로 시험에 성공했다.

BMW는 뮌헨 공공도로에서 i7 차량에 고체 전력을 탑재해 테스트 중이며, 솔리드 파워의 생산 기술 라이선스를 이식받아 시제품 생산을 확대하고 있다.

토요타(Toyota)와 이데미쓰(Idemitsu)는 석유 정제 과정에서 회수한 황을 활용해 황화물계 고체 전해질 대형 시범 공장을 건설 중이며, 2027~2028년 상용 양산을 목표로 달리고 있다.

또한, 현대차, 삼성SDI, CATL, 퀀텀스케이프, 팩토리얼 에너지 등이 전략적 파트너십을 맺고 시범 생산을 가속화하고 있다.

고장 미스터리를 풀어낸 이번 연구 성과는 하반기 글로벌 전기차 유통 단가와 차세대 배터리 시장의 패권 향방을 가르는 핵심 기술 통상 변수로 작용하고 있다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com