배터리 기술은 더 작고 가볍지만, 더 오래 사용할 수 있는 방향으로 치열하게 발전하고 있습니다. 고에너지 밀도의 배터리를 구현하기 위해 업계에서는 고용량 소재 개발과 배터리 구조 혁신에 대한 연구가 집중적으로 이뤄지고 있는데요. 이러한 흐름을 일찍이 깨달은 LG에너지솔루션은 초격차 기술 확보에 더욱 속도를 내고 있습니다. 그 일환으로 음극 활물질 자체를 없앤 무음극전지(Anodeless) 개발을 지속적으로 수행 중에 있으며, 현재는 전고체배터리와 결합하는 방향으로 로드맵을 구체화하였습니다.
이번 인터뷰에서는 무음극전지 관련 출원 특허를 기반으로 연구를 이어가고 있는 미래기술센터 소속 이정필 님을 만나 무음극전지가 무엇인지, LG에너지솔루션의 차별화된 기술은 무엇인지 자세히 들어봤습니다.
무음극전지(Anodeless)란?
일반적으로 리튬이온배터리는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질 등의 4대 소재로 구성됩니다. 이 중 음극은 충전 시 양극에서 이동한 리튬이온을 저장하는 역할을 하며, 주로 흑연이나 실리콘과 같은 음극 활물질이 사용됩니다.
최근에는 이러한 음극 소재를 사용하는 방식에서 나아가, 음극 활물질 자체를 없앤 ‘무음극전지(Anodeless)’ 기술이 주목받고 있습니다. 무음극전지는 음극 소재 내부에 리튬이 저장되는 공간(Host)이 없는 구조인데요. 충전 시에는 양극에서 나온 리튬이온이 전자와 만나 음극 집전체 위에 리튬메탈(Lithium metal) 형태로 도금(Plating)이 됩니다. 방전될 때는 리튬메탈이 전자를 잃어서 다시 리튬이온의 형태로 탈리(Stripping)되는 원리로 작동합니다.
무음극전지, 초격차 기술로 주목받는 이유
배터리 업계는 흑연에서 실리콘, 리튬메탈까지 고용량 음극 소재를 개발하며 에너지 밀도를 높이기 위한 연구를 진행했습니다. 이러한 연구들은 배터리 성능 개선에 크게 기여하고 있고, 그 덕분에 차세대 배터리 기술들은 한 걸음씩 진보하고 있습니다.
그럼에도 불구하고 왜 음극 활물질을 없앤 무음극전지를 개발하게 된 것일까요?
그 이유는 무음극전지가 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있기 때문입니다. 기존 배터리는 충전 전부터 일정 두께의 음극층이 존재해 셀의 일정 부피를 차지하는데요. 그에 반해 무음극전지는 충전이 이뤄질 때만 도금되기 때문에 초기 셀 두께를 줄일 수 있으며, 공간 활용도가 높아집니다. 이러한 구조적 이점으로 같은 부피에 더 많은 리튬을 저장할 수 있어 에너지 밀도 향상에 유리한 조건을 갖게 됩니다.
또한 제조 공정 비용과 원재료비 절감 효과도 기대할 수 있습니다. 음극 활물질이 없는 구조인 만큼 음극 활물질 층을 형성하는 공정이 단순화될 수 있기 때문에 제조 공정이 간소화되는데요. 이를 통해 원재료비 절감과 공정성 향상의 효과가 있죠. 특히, 리튬 메탈을 사용하는 음극의 경우 리튬이 산화되는 것을 막기 위한 드라이룸(Dry room) 이상의 환경이 필요한데, 무음극전지의 경우 이런 환경 설비가 따로 필요하지 않는 장점이 있습니다.
LG에너지솔루션, 전고체배터리에 무음극전지 기술을 더하다
LG에너지솔루션은 차세대 기술 경쟁력을 높이며, 미래 성장 동력 확보에 박차를 가하고 있는데요. 그 일환으로 무음극전지 기술 개발 및 다양한 특허 출원을 이어가고 있습니다. 이정필 님이 발명에 참여한 무음극전지 특허는 음극 집전체에 리튬 친화 물질(Lithiophilic Materials, 이하 LPM)을 코팅하고 산화 처리(Oxidation)를 적용했으며, 액체 전해질이 아닌 고체 전해질을 활용한 것이 특징입니다. 이 기술은 2021년 10월에 특허 출원을 완료하여, LG에너지솔루션만의 독자적 기술로 보호받고 있습니다.
무음극전지 기술 전문가인 미래기술센터 황화물계전고체전지1PJT 소속 이정필 님을 만나 보다 자세한 이야기를 들어보았습니다.
Q. 참여하신 무음극전지 특허에 대해 간략히 소개 부탁드립니다.
무음극전지의 핵심은 음극활물질을 사용하지 않고, 리튬이 도금과 회수가 되는 구조에 있습니다. 이 방식은 에너지 밀도를 획기적으로 높일 수 있다는 장점이 있죠. 하지만 음극 집전체와 리튬의 친화성이 떨어지면, 리튬이 균일하게 형성되지 않고 나뭇가지 형상으로 자라는 덴드라이트(Dendrite)*가 발생하기 쉽습니다. 덴드라이트가 형성되면 분리막을 통과하여 양극에 닿고 단락이 발생하게 되는데요. 이러한 현상이 반복되면 배터리의 성능과 안전성을 떨어뜨리게 됩니다. 이에 LG에너지솔루션은 무음극전지가 구동될 때 리튬이 음극집전체에 균일하게 성장할 수 있도록 적절한 소재와 공정 기술을 적용하였습니다.
Q. LG에너지솔루션이 무음극전지 기술을 개발하게 된 계기와 기존 기술과의 차별점은 무엇인가요?
LG에너지솔루션은 전고체배터리를 포함한 다양한 차세대 배터리 기술에 대해 폭넓고 선제적인 연구를 이어오고 있습니다. 리튬황배터리, 바이폴라 배터리, 소듐이온배터리 등 기존 리튬이온배터리를 넘어서는 기술을 개발해 온 가운데 무음극전지도 그중 하나였습니다. 고에너지 밀도 구조 설계가 가능하다는 점에 충분히 연구할 만한 가치가 있었죠.
무음극전지는 리튬이 도금되었다가 사라지는 메커니즘으로 인해, 개발 및 구현 난이도가 높은 축에 속합니다. 그 이유는 작동 과정에서 발생하는 부피 변화와 응력(Stress), 리튬의 도금 위치나 균일도가 배터리 성능과 수명에 영향을 미치기 때문입니다.
개발 초기에는 액체 전해질 기반의 무음극전지 기술을 시도했습니다. 하지만 리튬 손실과 부반응 발생, 리튬이 불균일하게 도금되는 문제가 여전히 해결되지 않았는데요. 이로 인해 배터리 성능 및 수명을 확보하기 어려웠죠. 업계 전반에서는 이를 해결하기 위해 집전체 표면에 리튬 친화성 물질을 코팅하는 방식이 시도됐지만, 코팅 공정만으로는 한계를 극복할 수 없었습니다.
이에 LG에너지솔루션은 한발 더 나아갔습니다. 음극 집전체에 LPM을 코팅하는 것과 더불어 산화 처리를 적용했고, 이를 기반으로 전고체배터리(Solid-State Battery)*에 접목시켰습니다. 특히 전고체배터리는 고체 전해질을 사용해, 부반응이 적고 안정성이 높아 무음극전지의 한계를 보완할 수 있다는 판단이 들었습니다. 이러한 과정을 거친 결과, 리튬이 고르게 도금되는 환경을 마련할 수 있었고, 차별화된 기술 경쟁력을 갖추게 됐습니다.
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Q. 무음극전지를 전고체배터리에 활용하면 어떤 장점이 있나요?
무음극전지는 이론적으로 대부분의 배터리에 적용 가능하지만, 특히 전고체배터리가 리튬의 부반응을 최소화할 수 있는 최적의 배터리임을 연구를 통해 확인할 수 있었습니다.
무음극전지에서는 리튬이 리튬이온으로 도금이 됐다가 다시 회수되는 것이 중요합니다. 하지만 액체 전해질에 기반한 기존 리튬이온배터리에서는 충전 과정에서 리튬이 음극에서 반응하면서, 수산화리튬(Lithium hydroxide)이나 탄산리튬(Lithium Carbonate) 같은 비가역적인 소재로 바뀌게 됩니다. 쉽게 말해 리튬 반응으로 인해 리튬이 회수되지 못하고 손실이 발생하는 것이죠. 때문에 액체 전해질 기반 구성에서 무음극전지를 구현하면 수명과 성능 저하가 발생할 수 있습니다.
반면 전고체배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 상대적으로 안정적이며 부반응을 최소화할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 도금-탈리 사이클이 보다 안정적으로 반복될 수 있고, 리튬 손실을 줄여 성능을 확보하는 데 유리합니다. 무음극전지의 구조적 이점과 전고체전지의 안정성이 결합되면, 시너지가 더욱 좋을 것으로 기대됩니다.
Q. 무음극전지에 적용한 LPM 코팅과 산화 처리는 각각 어떤 역할을 하며, 함께 적용했을 때 어떤 효과가 있나요?
저희는 리튬이 균일하게 도금되도록 유도하기 위해 LPM 코팅과 산화 처리 두 공정을 병행했습니다.
LPM 코팅은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 등의 소재를 집전체 표면에 고르게 분산시키는 공정입니다. 리튬 친화성 금속 물질을 이용해 리튬이 특정한 곳에 몰리지 않고 어디든 고르게 도금될 수 있도록 유도하는 방식입니다.
때문에 코팅 소재는 물론 공정 방식도 소재의 고른 분산에 중요한 영향을 끼칩니다. 연구 단계에서는 스핀 코팅(Spin Coating) 방식이 코팅막을 균일하게 제작하는데 용이했습니다. 향후 양산에 적용한다면 슬롯 다이(Slot-die)1나 콤마(Comma)2, 그라비어(Gravure)3 등 다양한 코팅 공법 중에서 가장 최적화된 방법으로 진행할 예정입니다.
이에 더해, 열처리 온도나 시간을 조절하여 집전체의 산화도를 제어하는 산화 처리도 진행했습니다. 기존 음극 집전체는 리튬 친화도가 높지 않은데요. 때문에 LPM이 코팅되지 않은 영역에는 리튬이 도금될 확률이 적어지게 되죠. 예를 들면 구리(Cu)는 리튬 친화성이 낮지만, 산화 상태인 구리 산화물(CuxOy)이 되면 리튬 친화성이 향상됩니다. 이처럼 확실한 성능 확보를 위해 최소한의 LPM 코팅을 적용하고, LPM이 코팅되지 않은 영역의 리튬 친화도를 보완한다면 효과가 극대화될 수 있다고 판단했습니다. 그 결과 집전체의 필수 성능인 전기전도도의 감소를 최소화할 수 있었습니다.
소재, 전고체배터리에 대한 풍부한 연구 경험 바탕으로 무음극전지 연구에 매진
이정필 님은 2016년부터 LG에너지솔루션에서 전고체전지 관련 연구를 수행해 왔습니다. 다양한 소재에 대한 이해와 축적한 경험을 바탕으로 6개월간 집중적으로 연구를 진행했고, 그 결과 2021년 10월에는 무음극전지 관련 특허 출원까지 이르게 됐습니다.
Q. 무음극전지 연구 당시, 어떤 경험들이 도움이 되었나요?
폭넓은 분야에 대한 관심과 다양한 연구 경험은 새로운 기술을 마주하는 데 큰 도움이 되었습니다. 저는 배터리보다 소재 기반의 연구를 주로 진행했습니다. 그래서 배터리를 처음 접했을 때도, 배터리 구조보다 소재의 반응과 특성에 초점을 두고 접근하게 됐습니다. 배터리 전공자들은 셀 자체의 구조에 집중한다면, 소재 전공자들은 특성에 더 집중하는 편입니다. 협업을 통해 여러 사람들과 의견을 주고받으며 다양한 관점에서 문제를 바라보게 되었고, 이를 통해 연구에 임하면서도 완전히 새로운 방향성을 확립하고 도전할 수 있게 되었습니다.
입사 초기, 셀 개발팀에서 근무한 경험도 있는데요. 이때의 경험 덕분에 소재만 보지 않고 셀 전체 구조와 설계까지 함께 고려하는 사고도 갖게 됐습니다. 이후 전고체배터리 연구를 시초부터 수행하며, 다양한 고체 전해질 소재와 관련 기술들을 경험할 수 있었습니다. 이처럼 소재, 셀 구조, 설계 전반에 걸쳐 쌓인 경험이 무음극전지 기술을 연구하는 데 큰 밑거름이 되었다고 생각합니다.
Q. 무음극전지 기술 개발에 있어 LG에너지솔루션으로부터 어떤 점을 도움받았나요?
무음극전지 기술은 처음부터 전고체배터리를 겨냥해서 연구한 것은 아니었지만, 실험을 진행하면서 이 기술이 모든 배터리에도 응용될 수 있다는 가능성을 확인했습니다. 끊임없는 연구를 통해 의미 있는 결과를 확인할 수 있었고, 그 결과 현재는 전고체배터리 구조와도 맞물려 주목을 받고 있습니다.
이러한 배경에는 LG에너지솔루션의 특허 출원 문화가 있습니다. 예상하지 못한 결과라도 지식재산 확보를 하는 시스템이 잘 갖춰져 있는데요. 당장의 상용화될 수 있는 기술도 중요하지만, 축적한 경험과 기술을 IP로 남기며 미래 기술 경쟁력을 확보하는 방향이 LG에너지솔루션의 강점이라 생각합니다. 저 역시도 무음극전지 기술이 중요한 의미가 있다고 판단해 특허까지 출원했죠. 앞으로도 연구를 진행하면서 지속적으로 특허 출원할 계획입니다.
무음극전지와 전고체배터리, LG에너지솔루션이 그려갈 미래는?
전고체배터리와 무음극전지 두 기술의 조합으로 차세대 배터리의 새로운 지평을 열고 있는 LG에너지솔루션. 무음극전지 기술을 현실로 만들기 위해 계속해서 여정을 이어가고 있습니다.
Q. 향후 무음극전지 개발 로드맵은 어떻게 되나요?
LG에너지솔루션의 무음극전지는 전고체배터리의 기술 개발 로드맵과 동일합니다. 무음극전지 기술은 2029년 하반기를 목표로 상용화 예정인데요. 미래기술센터를 비롯해 유관 부서 연구원들이 서로 협업하며 노력하고 있습니다.
Q. 마지막으로 한 말씀 부탁드립니다.
LG에너지솔루션은 고객을 최우선의 고객가치를 실현시키고자 합니다. 이를 바탕으로 고객이 미래에 원하는 바를 미리 고민하고, 만족시킬 제품을 출시하고 있죠.
고객들은 우수한 성능을 가진 배터리를 오래 사용하고 싶어합니다. 무음극전지 기술은 에너지 밀도가 기존 배터리보다 높기 때문에 고객의 니즈를 충족시킬 것으로 기대됩니다. 특히 전고체배터리와 접목하면 더욱 안전하고 고성능의 배터리를 제공할 수 있을 것입니다. 무음극전지 기술이 고객가치를 높일 수 있는 핵심 기술로 부상하는 미래를 그려보고 싶습니다.
하나의 차세대 배터리 개발을 위해서는 많은 노력이 필요합니다. 배터리 디자인이나 컨셉 설정, 이를 구현하기 위한 기술 확보, 그리고 양산성이 확보된 제품 생산 등 해결해야 할 과제들이 있죠. 미래기술센터를 비롯해 수많은 조직들과 협업하여 초격차 기술을 지속적으로 확보할 수 있도록 힘쓰겠습니다.
지금까지 미래기술센터 소속 이정필 님의 무음극전지 개발 스토리였습니다. 전고체배터리 연구에 대한 풍부한 경험을 바탕으로, 다양한 관점에서 연구를 진행한 것을 확인할 수 있었는데요. 그 과정 덕분에 전고체배터리와 무음극전지의 결합까지 바라보고 있으며, 이 기술의 가능성을 더 높였습니다. 앞으로도 차세대 배터리 기술 확보를 위해 경쟁력을 강화하는 LG에너지솔루션의 이야기를 지켜봐 주세요!
