고숀의 LMFP, CATL의 응축 배터리, 그리고 소프트뱅크의 에너지 밀도 450Wh/kg 차세대 배터리

중국 배터리업체 고숀 하이테크가 LMFP(리튬-철-망간-인산염) 배터리 에너지 밀도가 240Wh/kg에 달했다고 발표했다. 이로 인해 1회 충전으로 1,000km를 주행할 수 있다고 밝혔다. 전기차용으로 훨씬 저렴하고 강력한 팩을 제공하는 기술이라고 덧붙였다.

폭스바겐이 최대 주주인 고숀 하이테크는 2021년 11월에는 니켈 함량을 가진 새로운 배터리 셀이302 Wh/kg의 에너지 밀도를 달성하고 시스템 수준에서 200 Wh/kg을 달성했다고 밝힌 바 있다. 광저우 아이온의 아이온 플러스LX에 탑재되며 축전 용량144.4kWh 배터리를 탑재해 205 Wh/kg의 에너지 밀도를 가지며 1,008km(NEDC 기준) 주행거리를 확보한다고 했었다.

이번에 다시 고숀 하이테크는 새로 개발한 배터리 셀이 중국에서 상용화되었으며 BYD와 테슬라 등이 비용을 절감하는 방법으로 채택한 기존 리튬-인산철 화학에 망간을 추가했다고 밝혔다. 더 작은 패키지에 더 많은 전력을 담는 LFP의 개선은 일반적으로 제조 비용이 더 저렴한 기술을 대중화하는 데 도움이 됐다고 강조했다.

LFP 배터리는 190Wh/kg의 에너지 밀도 한계에 거의 도달했으며 고숀의 새 배터리는 240Wh/kg을 달성할 수 있다고 한다. 이는 배터리 팩의 무게와 부피를 줄일 수 있다는 것이다. .

고숀 하이테크는 자사의 LMFP 배터리가 kWh 기준으로 기존 LFP 배터리보다 5% 저렴할 것으로 예상했다. 이는 니켈-코발트 셀보다는 20~25% 저렴한 것이다. 일반적으로 음극 물질의 니켈 함량이 높을수록 에너지 밀도가 높아진다. 그러나 열 안정성도 낮아지기 때문에 제조 공정에 대한 요구와 배터리의 열 관리도 그만큼 높아진다. 고숀은 내부적으로 개발된 일련의 기술을 통해 음극 재료의 안정성과 사이클 안정성을 향상시켰다고 밝히고 있다.

고숀은 LMFP 화학이 니켈-코발트 셀 중 일부를 동일한 성능이지만 더 낮은 비용과 더 나은 안전성으로 대체할 수 있다고 주장했다. LMFP 기술은 새로운 기술이 아니지만 전통적으로 셀은 낮은 전도도에서 고온 용해 또는 낮은 밀도에 이르는 이유로 전기차 분야에서 사용되지 않았다. 고숀은 아스트로이노(Astroinno)라고 하는 배터리가 이러한 기술적 문제를 극복했다고 밝혔다.

고숀의 망간 첨가 셀은 표준 LFP가 에너지 밀도에서 NCM 화학과 경쟁할 수 있는 기회를 창출할 것으로 전망되고 있다. LMFP는 2040년까지 6%의 시장 점유율을 차지할 수 있으며 이는 나트륨 이온 배터리와 같은 다른 신흥 옵션을 능가할 것이라는 것이다. 나트륨 이온 배터리는 CAATL이 2021년 처음 발표한 것으로 160WH/kg의 에너지 밀도가 특징이다. 실온에서 15분 만에 80%까지 충전할 수 있으며 -20°C 미만의 온도 환경에서 방전 유지율이 90% 이상이라고 한다.

고숀은 아스트로이노 빠르면 2024년 2분기에 양산될 수 있다고 한다. 안전 테스트를 통과했으며 중국 안후이성에 있는 두 개의 공장에서 생산될 것으로 예상했다.

세계 8위 배터리 제조업체인 고숀은 독일 괴팅겐과 미시간 배터리 공장 계획부터 지난해 스위스 글로벌 예탁증서 발행까지 해외 확장에 박차를 가하고 있다.
아스트로이노 배터리는 최근 몇 년 동안 중국 배터리업체 중요한 배터리 혁신에 기여하고 있다. 충전시간이 1/4로 단축된다는 것도 큰 장점으로 18분만에 10%에서 80%까지 충전된다는 것이다.

중국 배터리 업체들은 배터리 셀 화학에 대한 다양한 노력을 경주하고 있다. 에너지 밀도를 높이는 것은 물론이고 무게와 부피를 줄이면서 안전성을 높이는 것이 포인트다. 2020년에 공개한 BYD의 LFP 블레이드 배터리와 CATL 응축 배터리 등이 그 예다.


CATL은 지난 4월 2023 상하이오토쇼를 통해 응축(condenced) 배터리를 공개하고 곧 양산할 것이라고 발표했다. 에너지 밀도가 최대 500Wh/kg인 새 배터리가 높은 에너지 밀도와 높은 수준의 안전성을 동시에 달성할 수 있다고 밝혔다. 올해 자동차 등급의 응축 배터리의 양산버전을 출시할 예정이라고 덧붙였다. CATL은 지난해 세계 최고 집적 효율을 자랑하는 기린(Qilin) 배터리를 공개했고, 올 3월부터 양산을 시작했다.

한편 고숀 하이테크는 2022년 8월 베트남의 배터리 전기차 스타트업 빈패스트가 중국의 배터리 업체 리튬인산철(LFP)배터리 셀의 개발 및 생산을 위해 협력하기로 합의했다고 발표했었다.

또한 같은 해 9월에는 2025년까지 기존 목표의 3배인 300GWh를 목표로 설정했다고 발표했다. 고숀의 2020년 말 배터리 셀 생산량은 28GWh였다.

고숀은 독일 괴팅겐에서 기존 생산 시설을 개조할 것이고 이를 위해 지난 7월에 괴팅겐 미테에 있는 보쉬 공장을 매입했다. 또한 로버트 보쉬 애프터 마켓 솔루션 GmbH의 모든 주식도 인수했다.


한편 소프트뱅크가 2021년 3월, 미국 엔파워 그린테크(Enpower Greentech Inc.)와 에너지 밀도 450Wh/kg의 차세대 전지의 실증에 성공했다고 발표했었다. 이는 2020년 3월 공동연구 계약을 체결한지 1년만으로 경량, 대용량, 고에너지 밀도의 리튬 메탈 배터리다.

450Wh / kg 전지에 사용되는 리튬 금속은 오랫동안 양극 재료의 모범으로 간주되어 왔다. 리튬 금속은 에너지 밀도를 높이는 음극 소재로 유망시되고 있지만, 충방전을 반복하는 중에 발생하는 덴드라이트가 배터리의 수명을 단축하거나 본체를 팽창 시키거나 짧은 시간 동안 배터리 용량을 감소시키는 경우가 많다. 덴드라이트란 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정을 말한다. 전극의 부피 팽창과 전극과 전해질 사이 부반응 등을 유발해 배터리의 안전성과 수명을 떨어뜨린다.

소프트뱅크와 엔파워 그린테크는 리튬 금속 표면에 무기물을 코팅함으로써 액체 전해질과의 직접적인 접촉을 차단하고 안정적인 고체 전해질 계면 (SEI)을 만들어 수상 돌기 형성을 방지했다고 밝혔다. 이를 확인하기 위해 두 회사는 초박형 (<10nm) 무기 막으로 덮인 리튬 금속 전해질을 사용했다. 코인형 리튬 대칭 셀 (실험실 측정에 사용되는 배터리)에 충방전 데이터를 수집하여 500 시간 연속 작동 후에도 지속적으로 낮은 과전압을 유지할 수 있었다고 한다. 앞으로 두 회사는 이 방법을 450Wh/kg 셀에 적용하여 배터리 수명을 더욱 늘릴 계획이라고 밝혔다.

엔파워 그린테크는 전고체 전지를 포함한 차세대 배터리의 연구, 개발 및 상업화에 종사하는 미국의 스타트업 회사다. 이 회사는 일본에 연구기지를 두고 있으며 2015 년부터 고체 전해질을 포함한 고용량 전해질 소재 개발을 시작했다. 또한, 2017 년 10 월부터 미국 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 노벨 화학상 수상자 인 존 구데노프가 이끄는 연구팀과 전고체 셀 물질 개발을 위해 협력하고 있다.

소프트 뱅크는 유기 소재 양극 (니켈이나 코발트 등 중금속을 사용하지 않는)을 사용한 전지 및 음극에 리튬을 사용한 전지의 연구 개발을 산학 협력으로 실시하고 있다. 이번에 발표 된 차세대 전지는 음극에 금속 리튬 사용한 전지이다. 현재의 이차 전지는 양극에 NMC와 NCA 등 니켈과 망간을 사용한 리튬 화합물을 음극에는 흑연 등이 이용 된 것이 주류이지만 최근 중국 업체들을 중심으로 리튬 인산철의 생산이 크게 증가하고 있고 전 세계 많은 자동차회사들이 리튬 인산철 배터리 셀의 사용을 늘리고 있는 추세다.

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