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Nikkei X-TECH_2023.4.24

CATL이 개발한 의문의 '응축형 배터리'
게임 체인지 기술을 연내 양산

중국 CATL은 2023년 4월 19일, 상하이에서 개최 중인 자동차 관련 전시회 ‘상하이국제자동차쇼 2023’(4월 18~27일)에서 “응축형 배터리(Condensed Battery, 중국어는 응취태(凝聚態) 배터리)를 개발했다”고 발표했다. 이 전시회에 대략 A4 사이즈로 보이는 치수의 시제품(혹은 목업)도 공개했다.

중량 에너지 밀도가 최대 500Wh/kg으로 상당히 높은 점이 특징이다. 2차전지의 에너지 밀도는 1991년 소니에 의한 최초의 리튬이온 2차전지(LIB)의 실용화 이후 30년 이상, 평균적으로 연간 2% 증가 정도의 매우 느린 개선밖에 하지 않았다. 이 응축형 배터리가 양산되면 단번에 2배 가까운 중량 에너지 밀도의 배터리가 실현된다.

이 정도 성능의 셀의 연구개발 사례는 적지 않지만 실용화에 도달한 사례는 아직 없었다. 그런데 이번에 CATL은 전기자동차(EV)용으로 23년 안에 양산을 시작한다고 한다. 배터리의 세계에서 문자 그대로 게임 체인지가 될 가능성이 있을 것 같다.

-- 정체를 둘러싼 논의에서는 '양자 배터리'설도 --
이 응축형 배터리에 대해 CATL이 최초로 공식석상에서 언급한 것은 22년 6월 하순에 중국 충칭에서 개최된 자동차전시회 ‘2022(제24회) 충칭국제자동차전람회’였다. 다만 전시회 이름 이외의 상세한 내용은 일절 알려지지 않았기 때문에 중국 미디어는 그 수수께끼를 둘러싸고 떠들썩한 논의를 벌였다.

그 중에는 CATL의 특허를 상세하게 검토해 해당하는 기술이 없는지를 조사하는 보도도 있었고, CATL의 Zeng Yuqun 사장이 약 17년전에 박사논문을 집필했을 때의 소속이 중국과학원 물리연구소 응축태물리학과였다는 보도도 있었다. 참고로 중국어의 ‘聚(취)’는 단독으로는 일본어의 ‘集(집)’에 가까운 의미이지만 중국어의 물리학 용어에서는 ‘(凝)縮((응)축)’의 의미로도 사용된다.

응축태 물리학 또는 응축계 물리학(Condensed Matter Physics)은 주로 극저온에서의 물리, 예를 들어 양자역학적 현상인 초전도나 보스-아인슈타인 응축, 위상학적 절연체, 스핀 액체, 베리 위상 등 물성물리학의 최첨단 테마군을 가리킨다. 이 때문에 우주 등 특수한 조건에서의 사용을 상정한 배터리라는 등 억측이 난무했다.

시간이 흐르면서 미디어도 잊고 있던 23년 4월 16일, CATL은 응축형 배터리에 대해 4월 19일에 발표한다고 트위터로 예고했고, 단기간이지만 정체를 둘러싼 논란이 재연됐다.

-- 고비율 Si 음극 또는 금속 리튬 음극의 배터리인가? --
이번에 CATL은 그 기술의 일단을 공개했다. 그 부분을 필자의 예단이 들어가지 않도록 구글 번역에서 원문인 중국어를 일본어로 번역했다.

“초고비(超高比) 에너지 화학재료의 전기화학 반응 변화를 목표로 CATL은 높은 동적 생체 모방 응축 전해질을 채택해, 마이크론 수준의 자기 적응 네트워크 구조를 구축하고, 사슬 간 상호작용력을 조정하며 미세구조 안정성을 개선하면서 미세구조 안정성, 배터리의 동적 성능, 리튬이온 수송 효율의 향상.

또한 응축계 배터리는 초고비 에너지 양극, 새로운 음극, 세퍼레이터, 프로세스 등 일련의 혁신기술을 결집하여 우수한 충방전 성능과 높은 안전 성능을 양립하고 있다”.

이 번역문을 보고 의미를 금방 이해할 수 있는 사람은 많지 않을 것이다. 번역이 이상한가 싶어 원문 중국어나 영어판 발표 자료를 봤지만 큰 차이가 없었다.

다만 자세히 읽으면 몇 가지 알아차릴 수 있는 점이 있다. 우선 논란이 많았던 별난(Exotic) 물리학과는 관계가 희박하다는 점이다. 때문에 '응취(凝聚)'는 일본어로는 '응집(凝集)'으로 번역하는 것이 옳을 듯하다.

덧붙여 몇 가지 힌트가 되는 용어, 예를 들면 ‘자기 적응 네트워크 구조’나 ‘사슬 간’이라고 하는 말이 사용되고 있는 것도 알 수 있다. 이를 통해 생체조직에서 흔히 볼 수 있는 고분자 사슬이 자발적으로 응집해 이루어진 네트워크에 의해, 높은 에너지 밀도의 양음극 활물질의 충방전에 수반되는 형태 변화를 억제하고 있다는 해석이 가능하다.

그러면 그에 가까운 기존의 연구개발 사례가 몇 가지 떠오른다. 우선, 일반적인 LIB의 음극 활물질에 사용되고 있는 흑연이나 그 외의 탄소 재료로는 500Wh/kg이라는 높은 중량 에너지 밀도의 실현은 어렵기 때문에 음극 후보는 사실상 실리콘(Si)을 높은 비율로 이용하는 Si 음극 또는 금속 Li 음극으로 한정할 수 있다.

예를 들면, 미국 NanoGraf가 개발한 Si 음극 배터리다. NanoGraf의 기술에서는 Si의 충방전에 수반되는 팽창 수축을 그래핀으로 억제하고 있는 것으로 보인다.

일본에서 시작(試作)한 사례로는, 와세다대학 이공학술원의 오사카(逢坂) 명예교수의 연구실과 히타치금속이 시작한 509Wh/kg의 금속 Li 음극 배터리(양극은 Ni-Mn-Co의 3원계)나, 화학기업 ADEKA가 시작한 최대 708Wh/kg의 리튬 황(Li-S) 배터리가 있다.

-- 사이클 수명 4,000회를 실현한 사례도 --
Li-S 배터리는 차세대 2차전지 후보 중에서 선두이지만 양극 활물질인 황(S)에는, 충방전을 할 때 여러 형태의 분자로 변화해 전해액 속으로 유출되기 때문에 사이클 수명이 매우 짧다는 과제가 있었다. 다만 이 역시 최근에는 해결의 실마리가 보이고 있다.

ADEKA의 시작 사례에서는 양극에 ADEKA의 제품인 ‘황변성 폴리아크릴로니트릴(SPAN)’을 이용하고 있다. ‘PAN’이라고 불리는 고분자 사슬에 S를 내장한 재료이다. 이것으로 저에너지 밀도판 셀에서는 사이클 수명 5,000회의 장수명을 실현했다. 단지, 높은 에너지 밀도판 셀의 시작 사례에서는 사이클 수명은 아직 짧다.

한편, 미국의 스타트업 기업 Lyten은 그래핀으로 S의 유출을 억제해, 사이클 수명 1,400회를 실현했다고 한다.

미국 Drexel University가 2022년 2월에 발표한 Li-S 배터리는 사이클 수명이 4,000회 이상으로 매우 길어 세계적으로 주목받고 있다. 이는 다소 특수한 형태의 S를 이용한 후에 다공성 탄소나노섬유(CNF)로 활물질을 억제하는 데 성공한 것으로 보인다.

-- DNA와 같은 카본 나노 튜브인가? --
CATL이 말하는 ‘동적 생체 모방’이나 ‘마이크론 수준의 자기 적응 네트워크 구조’에 특히 주목하면, 생체의 유전자가 되는 DNA(디옥시리보핵산) 사슬을 활물질 억제에 사용하고 있을 가능성도 있어 보인다. 배터리가 아닌 트랜지스터이긴 하지만 산업기술종합연구소가 연어의 DNA를 이용한 예가 있다.

무엇보다 DNA는 생체 유래인 만큼 EV용 배터리가 필요로 하는 규모의 양산이 쉽지 않다. 원래 응집하기 쉬운 카본나노튜브(CNT)를 특수 가공한 재료라면 그러한 과제도 해결할 가능성이 있다.

-- EV의 지금까지의 과제가 크게 개선 --
어쨌든 중량 에너지 밀도가 500Wh/kg인 2차전지를 EV용으로 실용화할 수 있다면 지금까지의 EV 과제 중 몇 가지가 크게 개선된다. 예를 들면, 항속거리 1,000km 이상이 비교적 쉽게 실현된다. 같은 항속거리라면 배터리의 양을 줄임으로써 차체를 성인 2~3명의 무게만큼 가볍게 할 수 있다.

만일 양극이 황계라면 니켈(Ni)이나 코발트(Co) 등 고가의 재료가 필요 없어지면서 단위 용량당 배터리 가격이 한층 더 저렴해질 것이다.

-- 항공기의 전동화도 본격 스타트 --
CATL은 이 응축형 배터리의 용도로서 EV 외에 ‘가벼움’을 활용해 전동 여객기 등도 상정한다. 미국 테슬라의 일론 머스크 CEO도 “조금 더 배터리의 에너지 밀도가 높아지면 로켓 이외의 탈것은 모두 전동화가 가능하다”라고 말한다.

다만 이쪽 용도는 연내 양산은 확실히 어려울 것 같다. 서두에서 언급했듯이 EV용은 이르면 23년에 양산을 시작할 수 있다고 하지만 여객기용에서는 더 높은 안전성을 요구하기 때문이다. CATL은 현재 복수의 전동여객기 개발업체와 안전성 검토에서 협력관계를 맺고 있다고 밝혔다.

 -- 끝 --

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