[비즈니스포스트] 리튬메탈 배터리가 차세대 배터리로 급부상하고 있다. 리튬메탈 배터리는 음극재에 흑연 대신 리튬을 사용해 에너지밀도를 크게 끌어올린 제품이다. 경량화와 소형화가 가능해 미래교통항공(UAM)은 물론 휴머노이드와 차세대 전기차까지 넓게 활용될 것으로 예상된다.

현재 주로 사용되는 흑연 음극재는 에너지밀도를 더 높이는 데 한계에 부딪힌 것으로 분석된다. 이에 비해 리튬메탈 음극재는 흑연 음극재보다 10배 이상 에너지밀도를 높일 수 있다. 에너지밀도가 높다는 것은 그만큼 같은 크기의 배터리의 충전 능력이 높아진다는 것을 의미한다. 
 

최근 개발 붐이 일고 있는 실리콘 음극재보다 안정성과 성능 측면에서 우위에 있어 배터리용 음극재의 최종 기술로 분류된다.

니켈 함량 95%가 넘는 하이니켈 양극재가 상용화된 상황에서 양극재 기술 고도화만으로는 더 이상 배터리 기술 격차를 내긴 힘든 상황이라는 게 업계 관계자들의 설명이다. 이에 따라 점차 음극재에서 배터리 기술력이 판가름나는 상황으로 가고 있다는 것이다.

17일 관련 업계 취재를 종합하면 최근 삼성SDI가 리튬메탈 배터리 개발의 실마리를 찾은 것으로 알려지며 본격 생산 시점에 관심이 쏠리고 있다.

삼성SDI는 2023년 세계 전기차 시장에 캐즘(일시적 수요정체)이 찾아온 이후 실적 부진에 시달리고 있다. 최 사장은 이를 극복하기 위해 지난해 취임 직후부터 적극적인 차세대 기술 개발과 공급망 확대에 나서고 있다.

최근 이재용 삼성전자 회장과 함께 유럽 출장길에 올라 다수의 완성차 업체와 배터리 공급 논의를 진행한 것으로 알려졌으며, 46파이 원통형 배터리와 전고체 배터리 등 차세대 배터리 양산 채비를 서두르고 있다.

이와 함께 공들이고 있는 제품이 리튬메탈 배터리다. 
 

기존 흑연 음극재를 사용한 배터리의 경우 리튬이온이 흑연층 사이에 삽입되는 반응을 기반으로 작동한다. 반면 리튬메탈 배터리는 금속 자체를 음극으로 사용해 이온 저장 용량이 훨씬 크고, 반응 구조가 단순해 충전 시간도 크게 절약할 수 있다.

실리콘 음극재는 충·방전을 반복하면 팽창하는 문제가 있지만 리튬메탈 음극재는 이런 문제가 발생하지 않는다.

많은 장점에도 리튬메탈 배터리가 아직 상용화되지 못한 이유는 기술적 난제가 명확하기 때문이다. 

리튬메탈 음극재를 개발하고 있는 업체들은 압연·압축 과정의 기술적 어려움과 충방전이 반복되면 표면에 물리적 결정체가 달라붙는 '덴드라이드' 문제로 인해 높은 생산 단가와 품질 저하 문제를 겪고 있다.

리튬메탈 음극재는 충·방전 과정에서 표면이 불균일하게 반응하며 나뭇가지 형태의 결정체인 덴드라이트가 형성된다. 이는 전극 손상, 리튬 손실, 단락 등으로 이어져 수명 저하와 안전성 문제를 유발한다.

최근 삼성SDI는 이같은 덴드라이트 문제를 해결할 수 있는 돌파구 기술을 찾아낸 것으로 전해졌다. 미국 컬럼비아대와 공동으로 진행한 연구에서 불소 기반 겔 고분자 전해질을 활용해 덴드라이트를 효과적으로 억제하는 데 성공했다.

회사는 이를 통해 수명은 유지하면서도 기존 흑연 음극재를 활용한 리튬이온 배터리보다 1.6배 높은 에너지밀도를 구현했다.

기존에는 리튬메탈 음극재 표면에 보호막을 씌우는 것이 유일한 방안으로 여겨졌으나, 새로운 해결책을 찾아낸 것으로 평가된다.

리튬메탈 음극재의 이론 용량은 1그램(g)당 3860밀리암페어시(mAh) 수준이다. 흑연 음극재(372mAh/g)에 비해 10배 이상 높은 수치다. 

업계에서는 이를 활용하면 배터리 에너지밀도를 리터당 1200와트시(Wh)까지 높일 수 있을 것으로 보고 있다. 이는 회사가 현재 개발하고 있는 전고체 배터리의 용량 900Wh보다도 높은 것이다.

다만 상용화까진 아직 시간이 더 걸릴 것으로 예상된다. 삼성SDI 관계자는 비즈니스포스트와 통화에서 “아직 리튬메탈 배터리 양산 시점과 관련해서는 구체적으로 확정된 것이 없다”며 말을 아꼈다.

궁극적 목표는 리튬메탈 음극재를 전고체 배터리와 결합하는 것이다. 전고체 배터리에 리튬메탈 음극재를 탑재하면 지금껏 겪어왔던 에너지밀도 관련 문제가 크게 해소될 것이라는 전망이 나온다.

업계 관계자는 비즈니스포스트와 통화에서 “리튬메탈 음극재를 활용하면 전고체 배터리 만큼이나 높은 에너지밀도 구현이 가능하다”며 “전고체 배터리에 리튬메탈 음극재를 탑재하는 방안도 장기적으로는 추진할 부분”이라고 말했다.

이어 “그러나 아직까지는 리튬메탈 음극재를 사용한 전고체 배터리는 목표로만 제시됐을 뿐, 구체적인 연구개발이 진행되고 있지는 않다”고 덧붙였다. 최재원 기자