지난 4월 4일, 300여 명의 국내 이공계 석박사 과정 R&D 인재들이 LG그룹 서울 강서구 마곡에 위치한 LG사이언스파크를 가득 채웠습니다. 바로 ‘LG Tech Conference 2024’가 개최된 것인데요. 2012년부터 진행해 온 LG Tech Conference는 국내 우수한 R&D 인력을 초청하여 LG그룹의 차세대 기술과 트렌드를 공유하고, 미래 인재들과 직접 만나 네트워킹 하는 행사입니다.
이번 컨퍼런스에서는 빅데이터, 디스플레이, 스마트팩토리, 로봇, 자율주행, 자동차 전지 등 총 40개의 테크 세션을 통해 차별화된 고객가치를 위해 혁신하는 LG그룹의 기술 현황과 미래 비전을 보여주었는데요. 특히 LG에너지솔루션의 실무진들의 생생한 이야기를 들을 수 있는 2차 전지 관련 테크 세션이 우수한 인재들의 주목을 받았습니다.
이번 시간에는 LG에너지솔루션 Cell 선행개발센터 전해질 2팀 이정훈 님을 만나 미래의 전지 소재 기술과 소재 기술 개발 동향에 대해 알아보겠습니다.
현재 주목받고 있는 미래의 양극 소재 기술
LG에너지솔루션에서는 전기차를 Premium, Standard, Affordable 등 3가지 세그먼트(Segment)로 분류하여 그에 맞는 배터리를 개발하고 있습니다.
먼저, Premium은 충전 시간(Fast Charge)이 가장 짧고 한 번 충전 후 주행할 수 있는 거리(Driving Range)가 가장 긴 하이 퍼포먼스(High Performance) 전기차를 의미합니다. 그리고 Standard, Affordable은 Premium 대비 상대적으로 주행거리가 짧고, 충전 시간이 깁니다. 하지만 가격 경쟁력이 있는 라인이죠. Premium 전기차가 1년에 팔리는 차량 대수와 Standard, Affordable 전기차가 팔리는 차량 대수를 비교해보면 오히려 메인 스트림은 Standard, Affordable 라인이라고 볼 수 있습니다.
그렇다면 위 세그먼트(Segment)를 어떻게 개발해야 할까요? 기본적으로 전기차에서 가장 중요한 ‘안전성’이 있습니다. 그리고 ‘비용’과 ‘충전 시간’, 한 번 충전해서 달릴 수 있는 ‘주행거리’. 이렇게 4가지 관점에서, 전기차의 3가지 세그먼트에 따라 개발하는 것이 LG에너지솔루션의 기술이라고 볼 수 있겠습니다.
LG에너지솔루션의 소재 기술 개발, 어디까지 진행됐을까?
그렇다면 앞서 구분한 세그먼트를 만족시키기 위해 현재 개발되었고, 또 미래 개발될 전지 소재 기술들은 어떤 것들이 있을까요?
다양한 양극재를 고려하는 이유?
양극(재)은 레이어드(층상), 스피넬, 올리빈 이렇게 3가지의 대표적인 구조를 가지고 있습니다. 이 3 가지 구조를 용량, 안전성, 출력, 가격의 4가지 포인트에서 보면, 레이어드 구조의 NCM 양극재는 용량에 큰 강점을 가지고 있고, 스피넬과 올리빈 구조의 양극재는 고가의 니켈과 코발트를 사용하지 않기 때문에 가격 경쟁력이 있습니다. LG에너지솔루션에서는 이렇게 다양한 구조의 양극재들을 모두 고려하고 있습니다. 타겟 세그먼트의 특성에 맞추기 위해서이죠.
즉 LG에너지솔루션 양극재 개발 기술의 핵심은, 타겟 세그먼트 라인에 맞는 조성을 개발하고 이에 적합한 기술을 도입하여 최적의 전극 상태를 만들어내는 것이라 할 수 있습니다. 장점을 극대화하고 약점을 보완한 전지를 통해, 미래 사회를 향해 나아갈 동력을 불어넣는 것이죠.
‘Standard’ 의 대표 양극 소재, 미드니켈
최근 ‘미드니켈’에 대해서 많이 들어보셨을 텐데요. 니켈 함량을 60% 수준으로 낮추면서, 동시에 줄어든 용량을 고전압을 통해 보완한 소재로 전기차 ‘Standard’ 라인의 핵심 소재입니다. 다만, 고전압을 사용하는 것이 내구성에 영향을 줄 수 있습니다. 그래서 단입자 기술과 코팅을 통해 최대한 활물질 반응성을 제어하고 있습니다. 실제로 이러한 기술들을 적용했을 때 Cycle retention*이 개선되고, 고온에서의 가스 발생이 크게 감소되는 것이 확인됐습니다.
* Cycle retention: 수명 유지율
‘Affordable’의 대표 양극 소재, LFP/LMFP
‘LFP’는 고가의 니켈과 코발트를 사용하지 않기 때문에 가격이 저렴합니다. 그리고 올리빈 구조 때문에 리튬이 빠져나가더라도 레이어드 구조 대비 안정한 구조를 형성하게 되죠. 하지만 사용 전압 구간이 한정되어 있기 때문에 에너지가 작고, 입자 사이즈가 작아 전극 제조에 많은 고민이 필요합니다. LFP의 에너지는 망간을 일부 적용한 LMFP로 개선을 할 수 있습니다. 다만, Mn 적용에 따른 저항 문제로 인해 입자가 더 작은 특징이 있어, 이를 보완하기 위한 지속적인 연구가 필요합니다.
포스트 LFP, 망간 리치(Mn-rich)
LFP의 단점인 ‘용량’ 문제를 보완하기 위해 차세대 소재인 ‘망간리치(Mn-rich)’가 또한 주목받고 있습니다. 망간리치 소재는 값비싼 코발트가 들어가지 않기 때문에 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다. 하지만, 가스 발생 등 해결해야 할 과제도 남아 있습니다. 이를 위해 입자 형태 및 크기 조절, 표면 제어 등 다방면으로 검토 및 개발을 진행하고 있습니다.
Premium의 대표 양극 소재, High-Ni NCMA(하이니켈 NCMA)
‘High-Ni NCMA’, LG에너지솔루션의 핵심 기술입니다. 전기차의 ‘Premium’ 퍼포먼스 라인의 최대 핵심 소재이죠. 높은 가격에도 불구하고 LG에너지솔루션에서는 더 적극적으로 High-Ni NCMA을 개발하고 있는 이유가 있습니다. 바로 강력한 플래그십먼트(Flagshipment)를 가질 수 있는 모델이기 때문입니다.
초기 NCMA 같은 경우, 2차 입자 형태의 High-Ni NCMA을 사용하였으나 현재는 단입자를 통해서 반응성을 많이 제어하고 있습니다. 초기 단입자에서는 소입경(입자 사이즈가 작은 단입자)만 개발했다면, 최근에는 중입경 단입자도 개발하고 있습니다. 그 결과, 기본적인 전극의 packing density*를 올릴 수 있고 셀의 에너지 밀도도 더욱 올라가게 되죠. 즉 High-Ni만의 장점을 강화할 수 있는 것입니다. High-Ni NCMA의 열 안정성은 코팅 기술 또는 단입자화를 통해 크게 개선되고 있습니다.
*Packing density : 단위체적당의 밀도.
음극재, Si(실리콘) 소재의 다변화
음극은 ‘실리콘(Si)’ 소재를 어떻게 잘 사용할 것이냐가 가장 핵심이 됩니다. 실리콘은 용량은 크지만, 잘 팽창하는 특성(Volume Expansion) 때문에 사용에 한계가 있다고 알려져 있습니다. 전통적인 분쇄형 SiC(실리콘 탄소복합체) 소재는 효율은 높지만, Cycle Retention이 낮은 단점이 있었습니다. Cycle Retention개선을 위해 활물질의 내구성을 향상시킨 소재로 SiO를 개발하였습니다. 비가역을 띠고 있는 SiO2 로 인한 효율이 빠지는 부분은 메탈(금속) 도핑을 통해서 보완을 하면서 효율과 내구성을 동시에 개선하는 방향으로 개발을 진행했습니다.
최근에는 기존 SiC, SiO의 장점은 유지하면서, 단점을 개선할 수 있는 새로운 공정의 SiC 개발이 LG에너지솔루션에서 연구하고 있는 실리콘 소재의 핵심이라 할 수 있겠습니다.
분리막, SRS® 기술의 진화
분리막은 LG에너지솔루션이 독자적으로 개발한 SRS®(Safety Reinforced Separator®) 기술을 사용하고 있습니다. 이 기술은 안전성에 특화된 기술입니다. 세라믹 층으로 구성하여 내구성을 강화하고, 고온에서는 셀을 셧다운(Shut-down)시키는 기술까지 포함한 분리막이죠.
LG에너지솔루션의 새로운 SRS® 기술이 곧 양산에 임박해 있는데요. 이는 SRS® 제조 공정 혁신과 함께 이뤄지고 있습니다. 공정에서 비용을 많이 절약하였고, 코팅 층과 바인더 층을 따로 코팅하면서 균일한 코팅점을 확보하게 되었습니다. 이를 통해 박막을 구현할 수 있게 되었죠.
박막화란 분리막을 얇게 형성하는 것을 말하는데요. 이를 통해 양극와 음극 간 리튬 이동 거리가 짧아지게 되고, 전기차 배터리의 출력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 만약 코팅 층을 균일하게 컨트롤하지 못할 경우, 이를 보완하기 위해 코팅 층의 두께가 두꺼워지게 됩니다. 즉 코팅 층 두께를 일관되게 조절할 수 있는 기술로 박막화를 구현하여, 최고의 배터리에 한 발 더 다가가게 된 것입니다.
그리고 기존의 SRS® 기술은 180℃에 노출시켰을 때, 분리막 수축이 발행하기도 했습니다. 이 경우 분리막의 첫 번째 역할인 양극과 음극을 물리적으로 차단하는 기능이 떨어지게 되죠. 하지만 LG에너지솔루션의 새로운 SRS®은 packing density가 높기 때문에 180℃라는 높은 온도에서도 전혀 분리막의 수축이 확인되지 않았습니다. 결국 이 새로운 SRS® 기술을 통해 가격은 내려가고, 더욱 발전된 안전성, 그리고 더 높은 출력까지 확보할 수 있는 것이죠.
전해질, 기능성 첨가제 개발과 내구성 강화
전해질 소재 개발의 경우, 기능성 첨가제를 개발하는 것과 신규 용매를 적용하는 것. 이 두 가지 포인트로 연구를 진행하고 있습니다. 전해질이 양극을 만날 때, 전해질의 ‘산 안전성’을 개선하기 위해 특별한 첨가제를 사용하고 있습니다. LG에너지솔루션에서 개발하고 있는 첨가제를 사용할 경우, 양극 표면에 붕소 코팅을 이루게 되고, 고전압에서도 누설 전류(Leak currents)가 크게 감소했습니다. 이렇게 표면을 제어하고 산 안정성까지 개선하니 실제로 고전압을 유지하더라도 저항이 증가되는 폭이 크게 감소됐죠. 이에 더해 전해질과 양극이 만나 발생하는 가스까지 감소되는 결과를 보였습니다.
리튬이온배터리가 개발된 이후, 전해질 소재에 Carbonate 용매를 지속적으로 사용해 왔습니다. 이를 대체하는 용매는 지금까지 없었는데요. 이들 Solvent는 구조 내 가스를 발생시키는 Site들이 있죠. 그렇다면 이 Gas를 발생시킬 수 있는 site를 처음부터 배제해서 Solvent를 개발한다면, 그만큼 가스 발생이 줄어들 것입니다.
이에 저희는 Carbonate 용매에서 잠재적 가스 발생 가능성이 있는 구조를 완전히 배제시켜, 가스 발생을 억제하는 새로운 용매를 개발하고 있습니다. 바로, ‘Gas-free Solvent’ 기술입니다. 실리콘 소재를 음극에 적용할 경우, 음극과 전해질의 부반응을 제어하는 기술이 필요합니다. 이를 제어하기 위한 첨가제로 현재까지 ‘FEC’ (Fluoro Ethylene Carbonate)가 가장 우수한 첨가제로 여겨졌습니다. 최근 주목하고 있는 신규 첨가제는 FEC 첨가제 못지않은 유연한 고분자SEI를 형성함과 동시에, 동일한 수준의 Cycle Performance*를 내고 있습니다. 또한, 기존 FEC 첨가제의 단점이었던 가스 발생 문제도 해결할 수가 있었습니다.
*Cycle Performance: 수명 사이클 특성
앞으로도 LG에너지솔루션은 고객의 니즈(Needs)에 맞는 소재 기술 개발을 통해 기술 경쟁력을 강화하여, 배터리 업계를 이끌어 나갈 수 있도록 힘써 나아가겠습니다.