삼성전자(005930)가 차세대 배터리라고 불리는 전고체 배터리의 원천기술을 확보했다. 전고체 배터리는 배터리의 양극과 음극 사이에 있는 액체 전해질을 고체로 대체해 출력 및 에너지 밀도를 끌어올려 안정성을 높인 배터리로 주로 전기차에 사용될 것으로 전망된다. 삼성전자의 전고체 배터리는 중소형차 기준으로 1회 충전에 800㎞ 주행이 가능하고 1,000회 이상 재충전이 가능하다.
삼성전자 종합기술원은 전고체 배터리의 수명과 안정성을 높이면서 크기는 반으로 줄일 수 있는 원천기술을 세계적 학술지인 ‘네이처 에너지’에 게재했다고 발표했다. 네이처 에너지는 학술정보서비스 업체인 클래리베이트 애널리틱스가 선정한 논문·저널 인용지수(Journal impact factor) 7위 규모의 저명 학술지다.
삼성전자 종합기술원이 삼성전자 일본연구소와 공동으로 개발한 전고체 배터리는 현재 전기차 배터리의 2배 이상 성능을 개선했다. 현재 중소형 전기차에 탑재되는 ‘리튬-이온 배터리’는 한번 충전시 400㎞가량 주행이 가능하고 500회 이상 충전한 후에는 배터리의 성능이 떨어진다.
삼성전자는 그동안 전고체 배터리의 문제로 지적되던 ‘덴드라이트’를 해결했다는 점에서 높은 평가를 받는다. 현재 글로벌 업체들이 개발 중인 전고체 배터리는 일반적으로 ‘리튬금속’을 음극소재로 사용해 배터리 충전 시 리튬이 음극 표면에 적체돼 나타나는 나뭇가지 모양의 결정체(덴드라이트)로 배터리 분리막을 훼손해 배터리 성능을 떨어뜨렸다. 삼성전자는 덴드라이트 문제를 해결하기 위해 전고체전지 음극에 5마이크로미터(㎛·100만분의 1m) 두께의 ‘은-탄소 나노입자 복합층’을 적용한 ‘석출형 리튬음극 기술’을 세계 최초로 적용했다. 해당 기술은 전고체 배터리의 안전성과 수명을 증가시켜주며 기존보다 배터리 음극 두께를 얇게 만들어 에너지밀도를 한층 높여준다.
업계에서는 전고체 배터리가 현재 ‘치킨게임’ 양상으로 전개 중인 전기차 배터리 시장의 판도를 바꿔놓을 핵심 제품으로 보고 있다. 우선 전고체 배터리는 액체 전해질이 존재하지 않아 온도 변화에 따른 전해질 증발이나 외부 충격에 따른 액체 유출 위험 등이 없어 안정성이 높다. 또 탈용매 반응이 필요 없어 출력이 높으며 액체 전해질을 사용하지 않아 한겨울 외부에 전기차를 세워 놓아도 배터리 충전율에 큰 변화가 없다. 반면 리튬-이온 배터리를 사용 중인 테슬라 ‘모델 X’의 경우 충전율 50% 상태에서 영하의 외부에 세워둘 경우 다음날 충전율이 30% 이하로 내려가는 것으로 전해졌다.
왼쪽부터 해당 기술을 개발한 삼성전자 유이치 아이하라 엔지니어(교신저자), 이용건 연구원(1저자), 임동민 마스터(교신저자)./사진제공=삼성전자임동민 삼성전자 종합기술원 마스터는 “이번 연구는 전기자동차의 주행거리를 혁신적으로 늘리는 핵심 원천기술”이라며 “전고체 배터리 소재와 양산 기술 연구를 통해 차세대 배터리 한계를 극복해 나가겠다”고 말했다.
삼성전자는 지난 2018년 삼성전자 서울대 연구소에서 차세대 배터리 기술을 주제로 한 ‘전고체전지 포럼’을 개최하는 등 관련 기술 확보에 적극적인 행보를 보이고 있다. 특히 그룹사인 삼성SDI(006400)가 글로벌 주요 전기차 배터리 업체로 손꼽히는 만큼 관련 기술 개발 시 관련 시장 점유율 확대는 물론 수익성도 대폭 향상될 것으로 전망된다.
업계에서는 전고체 배터리 시장에서는 일본의 도요타가 가장 앞서 있는 만큼 삼성이 보다 추격의 고삐를 좨야 한다고 주문한다. 도요타는 전고체 배터리 관련 특허의 46.9%를 차지할 정도로 압도적인 위상을 자랑하며 오는 7월 개막하는 도쿄 올림픽에서 전고체 배터리를 탑재한 전기차 시제품을 공개할 예정이다. 업계에서는 늦어도 10년 후에는 전고체 배터리가 리튬이온 배터리를 상당 부분 대체할 것이라고 보는 만큼 시간이 많지 않은 셈이다.
