3D프린팅 전고체 배터리가 리튬이온배터리 대체하나

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▲실리콘밸리 소재 스타트업 사쿠(Sakuu)가 기존 리튬이온배터리에 필적하는 고효율 배터리를 3D프린터로 프린팅하는 데 성공했으며 연말에는 생산공정을 자동화할 것이라고 밝혔다. (사진=사쿠)

리튬이온배터리는 높은 용량과 에너지 밀도로 오랫동안 가장 우수한 배터리로 여겨져 왔다. 스마트폰, 노트북, 전기차, 손목시계 등 어디에나 사용된다. 문제는 나뭇가지, 또는 바늘 모양인 ‘덴드라이트’(수지상(樹枝狀) 결정)로 불리는 리튬-금속 필라멘트가 배터리 사이클마다 양극에서 자란다는 점이다. 결국 이 바늘 모양의 덴드라이트가 전해액에서 자라나 음극으로 침투할 수 있게 되고, 이 경우 배터리 단락으로 이어져 화재 발생할 가능성이 높게 된다. 이에 따라 더 가볍고, 에너지 밀도가 높고, 안전한 이상적인 배터리에 대한 요구가 높아지고 있다.

전 세계 배터리 회사와 연구계는 이 문제 극복을 위해 전고체 배터리(Solid State Battery) 개발에 박차를 가하고 있다. 전고체 배터리는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차 전지로서 에너지 밀도가 높으며 대용량 구현이 가능한 데다 전해질이 불연성 고체여서 발화 가능성이 낮다. 세계 최초 전고체 배터리 개발사는 대만 프롤로지움이며 이 회사의 배터리는 우수한 에너지 밀도, 빠른 충전 및 탁월한 안전성을 인정받고 있다. 이 회사는 현재 나스닥 상장을 목표로 시리즈 E 투자 라운드 펀딩을 진행하고 있다.

이런 가운데 3D 프린팅 전고체 리튬이온배터리 생산 움직임도 놓쳐서는 안 될 것 같다.

최근 IEEE 스펙트럼은 미국 실리콘밸리의 한 스타트업이 3D프린팅 방식으로 전고체 리튬이온배터리를 개발했으며 연내 3D프린터로 생산을 자동화할 계획을 밝혔다고 보도했다. 이는 지난 4월 스위스 기업의 독일 자회사인 블랙스톤 테크놀로지에 이어 두 번째 3D프린팅 전고체 배터리 개발 및 상용화 임박 소식이다.

정말로 연말까지 3D프린터로 전고체 리튬이온배터리를 자동화 생산하기 시작한다면 생산 패러다임이 확 바뀔 수도 있다.

IEEE가 소개하는 지금까지 드러난 3D프린팅 전고체 이온 배터리는 어떤 것이고 어디까지 온 것일까. 지금까지 알려진 두 회사의 3D프린팅 전고체 배터리 생산기술을 소개한다.

◆美 사쿠, 3D프린팅 통해 최소한 기존 리튬이온배터리 수준

▲실리콘밸리 소재 스타트업 사쿠의 3D프린팅 방식 전고체 리튬이온배터리 생산 모습.(사진=사쿠)

미국 실리콘밸리의 3D프린팅 스타트업인 사쿠(Sakuu·옛 케라셀(KeraCel))는 현재 생산되고 있는 리튬이온배터리와 성능이 같거나 더 낫다고 주장하는 솔리드 스테이트(전고체) 배터리를 개발했다.

사쿠는 자사의 3D 적층 제조 플랫폼을 가지고 3암페어시(Ah) 용량, 즉 AAA 알카라인 배터리 3개 정도의 용량을 가진 작은 셀을 만들어냈다. 알려진 바에 따르면 이 회사의 기술은 얇은 단일 층에 여러 재료를 증착할 수 있게 해 준다. (맨 아래 동영상 참조)

칼 리타우 사쿠 최고 기술 책임자(CTO)는 “최고의 에너지 밀도를 얻기 위해 배터리 성능에 도움이 되지 않는 모든 요소의 부피를 최소화하길 원한다. 프린터가 이를 실제로 가능하게 한다”고 말했다.

사쿠의 배터리 셀은 다른 전고체 배터리 설계와 마찬가지로 리튬-금속 양극뿐만 아니라 음극과 양극을 분리하는 세라믹 전해질도 포함한다. (이와 대조적으로 리튬이온배터리는 유기 액체를 전해질로 사용하므로 배터리에 불이 붙을 위험성이 높아진다.)

이 회사의 3D 프린팅 플랫폼은 미 매사추세츠공대(MIT)가 개발한 바인더 제트 인쇄 프로세스를 기반으로 한다. 바인더 분사에서는 얇은 분말 입자 층에 액체 약품이 침전된다. 사쿠는 현재 금속 분사 및 세라믹 바인더 분사를 단일 구조로 결합할 수 있다고 밝혔다.

리타우는 “배터리 프린팅에 사용된 전해질 기술과 제작 방법은 전고체 배터리 분야에서 일하는 모든 사람들의 최고의 보물”이라며 인쇄된 세라믹 전해질에 사용된 재료에 대한 구체적인 세부 사항 공개를 거부했다. 사쿠는 3Ah 배터리를 리튬이온 전지와 비교한 성능 데이터도 제공하지 않았다. 다만 그는 “지난해보다 전고체 배터리의 에너지 용량을 100배 이상 개선했으며 부피 에너지 효율도 12배 이상 늘렸다”고 밝혔다.

사쿠는 캘리포니아 새너제이에 본사를 둔 스타트업으로서 이 시제품 3D프린터 시스템이 올해 말에는 최초의 전고체 배터리 자동 3D프린터로 발전할 것으로 기대하고 있다. 리타우는 그것은 자사의 배터리 셀 인쇄 능력을 엄청난 수준으로 증가시키게 될 것이라고 말했다.

사쿠는 자사의 3D 프린팅 배터리 제조 공정이 전기차를 염두에 두고 설계됐다고 밝혔다. 이 스타트업은 일본 자동차 부품 업체 무사시 세이미쓰(武蔵精密工業)의 지원을 받고 있다.

그러나 리타우는 전기차만이 이 배터리의 유일한 잠재적 시장은 아니라고 말했다. 그는 “3D프린팅은 실제로 몇 가지 흥미로운 가능성을 열어준다”고 말했다. 실제로 이 인쇄 플랫폼은 이륜 스쿠터 배터리에서부터 사물인터넷(IoT) 기기 및 의료 장비용 센서까지 모든 것을 만들 수 있다.

사쿠만이 아니다. 이 회사가 본격 3D프린팅 전고체 리튬 배터리 생산을 향해 나아가고 있는 가운데 독일의 또 다른 배터리 3D 프린팅 업체인 블랙스톤 테크놀로지도 올 들어 자체 전고체 배터리 구현으로 중요한 이정표를 달성했다고 밝혔다.

◆스위스 블랙스톤의 독일 자회사도 “3D프린팅 배터리 중요 이정표 달성”

▲블랙스톤이 지난 4월 3D프린팅을 이용한 전고체 배터리 제작의 중요한 이정표를 기록했다고 발표했다. 이 회사가 3D프린팅해 만든 5x5cm 사각형 파우치셀과 이를 통해 빛을 내는 LED. (사진=블랙스톤)

스위스 기업 블랙스톤 리소스의 독일 자회사인 블랙스톤 테크놀로지(Blackstone Technology)는 지난 4월 처음으로 작동하는 전고체 배터리 셀을 3D프린터로 인쇄하고 시험하는 데 성공했다고 발표했다. (이 회사는 자동화된 액체 전해액 배터리용 3D 프린팅 기술도 개발하고 있다.)

이 회사는 모든 종류의 전고체 리튬이온배터리 생산을 위해 새로운 유연한 방법으로 3D 스크린 프린팅 공정의 연구 및 평가 단계를 성공적으로 완료했다고 밝혔다.

블랙스톤은 세 가지 중요한 개념 증명, 즉 ▲3D 프린터로 인쇄되고 기계적으로 안정된 고체 상태 전해질 분리기 완성 ▲인쇄 가능한 복합 음극(과고체 전해질과 리튬 인산철 복합체)의 생산 ▲완전한 기능성 사각형(5x5cm) 파우치 셀 시연 인쇄 프로세스에 도달했다고 발표했다. 이들은 다양한 음극재를 이용한 전고체 배터리 양산도 가능하다고 말했다.

블랙스톤 테크놀로지는 자사의 기술이 기존 액체 전해질 배터리 셀 설계에 비해 상당한 생산 비용 절감, 셀 에너지 밀도 증가, 더 많은 충전 사이클 제공 등의 이점을 제공한다고 밝혔다. 또 이 배터리는 수용성 화학물질로 생산돼 환경에 덜 유해하고 재활용이 용이한 등 더욱 환경친화적이라고 덧붙였다.

블랙스톤은 독일 자회사 블랙스톤 테크놀로지를 통해 수년 동안 차세대 배터리 기술에 투자해 왔다. 여기에는 특허받은 3D 프린팅 기술, 전고체 기술 및 3D 프린팅 공정에서의 배터리 대량 생산 구현 등이 포함된다.

이 회사가 개발한 최초의 대형 배터리 셀 역시 올해 2월 블랙스톤 배터리데이에 이미 선보여 양산 준비를 마친 것으로 전해졌다.

블랙스톤은 자사의 3D프린팅 생산 기술 단계가 세계 최고의 효율성과 최대의 이점을 달성하면서 전 세계의 배터리 셀 제조공장의 판도를 변화시키게 될 것이라고 주장했다.

과연 이들이 전 세계 리튬이온배터리 시장을 주도하고 있는 우리나라와 중국 업체들을 능가하게 될지도 궁금해진다.

아래 동영상은 실리콘 밸리에 있는 사쿠의 3D프린팅 방식 전고체 리튬이온배터리 생산 과정이다.

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