전기차 보급이 늘면서 배터리 개발에 대한 소식도 점점 더 많이 들리고 있습니다. 이번 포스팅에서는 전기차 배터리 기술 중 수명과 용량을 개선시킬 수 있는 나노스케일 코팅에 대한 내용을 소개하는 IEEE Spectrum 기사를 통해 관련 내용을 전합니다.
개요
지난 25년 동안, 전기차의 1회 충전 시 주행 가능 거리는 약 260km에서 800km를 넘는 수준으로 발전했습니다. 이러한 첨단 배터리 팩들은 점점 더 그리드나 재생 에너지원을 활용하여 가정이나 사업체에 전력을 공급하는 역할도 하고 있습니다. 이러한 이유로, 글로벌 자동차 배터리 시장은 연간 500억 달러를 넘어섰으며, 더 성능이 우수한 배터리를 대량으로 생산해야 한다는 압박도 커지고 있습니다.
이제 여러 기업들이 기존에 잘 알려진 화학 기술인 원자층 증착(ALD)을 사용하여 배터리 전극에 금속 산화물이나 질화물 코팅을 적용하고 있으며, 이 기술이 리튬 이온 배터리의 에너지 용량과 수명을 향상시킨다고 주장하고 있습니다. 이러한 기업에는 콜로라도주 손튼에 본사를 둔 Forge Nano, 캘리포니아주 산타클라라에 본사를 둔 Applied Materials의 자회사인 Picosun, 그리고 핀란드 에스포에 본사를 둔 Beneq가 포함됩니다. 이 기업들은 1960년대에 개발된 기술을 활용하고 있으며, 수년간의 공정 개선을 통해 전기차와 스마트폰 배터리 시장에서 CATL, 파나소닉, 삼성과 같은 대기업들과 경쟁하려는 발판을 마련하고자 하고 있습니다.
이들 중 Forge Nano가 가장 발전된 기술을 보유한 것으로 보입니다. 최근 Forge Nano는 자사 자회사인 Forge Battery가 ALD 코팅 재료를 사용한 프로토타입 배터리 셀 샘플을 고객에게 테스트용으로 보내기 시작했다고 발표했습니다. Forge Nano는 자사의 독자적인 ALD 포뮬레이션인 ‘Atomic Armor’가 배터리 전극의 에너지 저장 능력을 높이고 수명을 연장한다고 설명합니다.
리튬 이온 배터리의 구성 요소
오늘날 전기차와 스마트폰에 사용되는 배터리는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 음극(음전하 전극)은 주로 흑연으로 만들어지며, 충전 과정에서 리튬 이온이 저장되는 곳입니다. 양극(양전하 전극)은 리튬 코발트 산화물 또는 리튬 철 인산염과 같은 리튬 금속 산화물로 구성됩니다. 또한 리튬 이온이 음극과 양극 사이를 이동할 수 있도록 하는 전해질은 유기 용매에 용해된 리튬 염입니다. 마지막으로 중요한 것은, 양극과 음극 사이의 이온 이동을 가능하게 하면서도 전자가 직접 흐르는 것을 막아 배터리의 단락을 방지하는 반투과성 재료인 분리막입니다.
이들 기업은 음극, 양극, 분리막을 구성하는 재료를 분자 수준에서 코팅함으로써 배터리의 성능과 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 무게나 부피에 눈에 띄는 증가 없이 이러한 효과를 얻을 수 있다고 설명합니다.
이 코팅 필름은 두 가지 기체 전구체 물질 간의 화학 반응으로 형성됩니다. 전구체는 번갈아 가며 기판에 도입되는데, 첫 번째 전구체는 기판 표면의 활성 부위에서 화학적으로 결합합니다. 활성 부위란 전구체 분자와 기판 표면에서 화학 결합이 일어나는 지점을 말합니다. 이후 반응하지 않은 전구체 가스를 모두 제거한 뒤, 두 번째 전구체가 도입되어 첫 번째 전구체의 활성 부위와 결합하게 됩니다. ALD 기술은 자체적으로 반응을 종료하는 특성을 가지고 있어, 활성 부위가 모두 채워지면 반응이 자동으로 멈추게 됩니다. 이 방식으로 필름은 원자층 단위로 형성되며, 원하는 두께에 도달하면 기판이 전구체에 더 이상 노출되지 않도록 차단함으로써 나노미터의 몇십 분의 1 수준까지도 정밀하게 두께를 설정할 수 있습니다.
일반적인 리튬 이온 배터리에서 흑연 음극을 사용할 경우, 이온 저장 능력을 향상시키기 위해 흑연에 실리콘(때로는 다른 재료도 함께)이 추가됩니다. 이 방식은 에너지 밀도를 높이지만, 실리콘은 전해질과의 부반응에 훨씬 더 취약하고, 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복해 전극을 약화시킵니다. 결국 이러한 기계적 손상이 배터리의 저장 용량을 감소시킵니다. ALD 기술은 음극 분자를 보호층으로 코팅하여 음극 내 실리콘 비율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 팽창과 수축 주기를 억제함으로써 기계적 손상을 늦추는 데 기여합니다. 그 결과, 기존의 리튬 이온 배터리보다 더 가볍고 에너지 밀도가 높으며 내구성이 향상된 배터리가 만들어집니다.
Picosun은 자사의 ALD 기술을 통해 코팅된 니켈 산화물 음극을 개발했으며, 이는 전통적인 흑연 음극에 비해 두 배 이상의 에너지 저장 용량과 세 배의 에너지 밀도를 갖춘다고 설명합니다.
이러한 기술이 얼마나 큰 이점을 제공하는가에 대해서는 아직 검증 중입니다. Forge Nano는 제3자 테스트와 검증이 진행 중이므로, 코팅 강화 배터리의 수명에 대해 확실한 결론을 내리기에는 시기상조라고 말합니다. 그러나 IEEE Spectrum과의 인터뷰에서, 회사 대변인은 현재까지 받은 데이터에 따르면, 시장에 출시된 유사한 배터리와 비교하여 15%의 에너지 밀도 개선이 관찰되었다고 설명했습니다.
이 회사는 배터리 생산 체인 전반에 걸친 모든 이해관계자들, 즉 음극 및 양극 제조업체, 1차 배터리 공급업체, 심지어 전기차 제조업체들까지도 자사의 ALD 기술을 배터리 제조 과정에서 필수적인 단계로 받아들일 것이라고 확신하며 큰 투자를 하고 있습니다. Forge Battery는 노스캐롤라이나에 25,700제곱미터 규모의 기가팩토리를 건설 중이며, 이 공장은 2026년에 가동되면 Atomic Armor 기술이 적용된 리튬 이온 셀과 완성된 배터리를 연간 1기가와트시 생산할 계획입니다.
마무리
이번 포스팅에서는 전기차와 스마트폰 배터리의 성능과 내구성을 향상시키는 ALD 기술의 역할과, 이를 활용한 다양한 기업들의 혁신적인 시도를 살펴보았습니다. 배터리 시장의 경쟁이 치열해지고 있는 가운데, 새로운 기술이 기존 리튬 이온 배터리의 한계를 어떻게 극복하고 있는지에 대한 이해가 중요합니다. 앞으로도 배터리 기술은 더욱 발전할 것이며, 이러한 기술들이 실제로 우리의 삶에 미치는 영향은 점점 더 커질 것입니다. 배터리 제조업체와 전기차 제조사들이 ALD 기술을 채택함으로써, 더 가볍고 오래가는 배터리의 시대가 멀지 않았다는 기대감을 가져볼 수 있습니다.