배터리 산업뉴스_2024년 10주차

배터리 재료

■ X-BATT, Bio유래 리튬 이온 배터리용 음극 재료 공개

■ Texas university, 나트륨 금속 배터리 성능, 안전성 향상 기술 개발

■ Graphjet technology, 농업 폐기물로 흑연 생산

 

배터리 제조

■ Samsung 초격차 기술력 제품 포트폴리오 공개

■ ION Storage Systems, 무음극 전고체 배터리 개발

■ Superdielectrics, 슈퍼캐패시터 Faraday1출시

■ UCSA, 계면 손상 문제 복구 가능한 전고체 Li-S배터리용 양극재 개발

 

자동차 OEM

■ Toyota, 배터리 생산능력 강화 위해 PEVE자회사로 인수

■ Aston Martin, 첫 배터리 전기차 출시 1년 연기

■ BMW, 태국에 고전압 배터리 조립 공장 건설 착수

 

재활용

■ 24M, 배터리 직접 재활용 방법 Liforever출시

■ Altium, Nissan과 전기차 배터리 재활용 위한 파트너십 체결

 

배터리 재료

■ X-BATT, Bio유래 리튬 이온 배터리용 음극 재료 공개

 

미국 플로리다에 위치한 X-BATT는 2019년도에 설립된 첨단 소재 솔루션을 개발하는 회사로 재생 가능한 바이오 물질들을  활용한 혁신적인 복합 음극 소재를 개발하고 있습니다. 이 연구는 지속 가능하고 효율적인 에너지 저장 응용 분야에 대한 새로운 표준을 설정하게 될 것입니다.

리튬 이온 배터리에 대한 수요가 급증하면서 대체 음극재에 대한 필요성도 높아지고 있습니다. X-BATT는 농업 폐기물을 저비용 탄소 공급원으로 활용하여 흑연을 풍부하고 재생 가능한 자원으로 대체하거나 보충함으로써 심각한 광물 부족 문제를 해결하는 동시에 탄소배출을 줄이며 지속 가능한 경제 성장을 촉진하고자 합니다.

X-BATT의 접근 방식은 폴리머 파생 세라믹(PDC: Polymer Derived Ceramic) 복합 소재를 사용하는 것으로 소재 합성 공정을 통해 목재, 대나무, 옥수수 껍질, 쌀겨, 심지어 커피 찌꺼기와 같은 바이오 기반 탄소원을 고에너지 고밀도 음극 소재에 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 이 기술은 초기 테스트에서 유망한 결과를 보였으며 바이오 기반 자원이 기존 흑연보다 더 높은 가역적인 비 용량과 더 나은 충전 속도 성능을 나타내는 음극 소재를 생산할 수 있다는 잠재력을 보여주었습니다.

이는 핵심 소재에 대한 해외 의존도를 낮출 뿐만 아니라 농업 폐기물을 활용하여 저부가가치 폐기물을 고부가가치 애플리케이션에 활용하는 순환 경제 모델을 제시합니다.

X-BATT은 연구개발에서 다음 단계로 이동함에 따라 정부 국립 연구소, 민간 및 공공 기업, 대학과 협력하려고 하고 있습니다. 이를 통해 이 기술을 더욱 개발, 테스트하고 최종적으로 상용화하고자 합니다.

  

■ Texas university, 나트륨 금속 배터리 성능, 안전성 향상 기술 개발

 

나트륨 금속 배터리는 나트륨의 풍부한 매장량과 높은 이론적 비용량(1,165mA h/g)으로 인해 리튬 금속 배터리의 매력적이고 지속 가능한 저비용 대안으로 떠오르고 있습니다. 그러나 전해질과 음극 및 양극의 호환성이 낮기 때문에 전극과 전해질 계면이 불안정한 문제가 있습니다.

미국 텍사스주 오스틴에 있는 텍사스 대학교 연구팀은 나트륨금속을 사용하는 나트륨 금속 배터리의 성능과 안전성을 향상시키는 기술을 개발했습니다.

최근 Nature Energy에 “Tuning the solvation structure with salts for stable sodium-metal batteries라는 제목으로 발표된 논문에서 기존 나트륨 금속이온에서 사용하는 LHCE (Localized High-Concentration Electrolytes) 전해액의 성능을 향상시키기위해 사용하는 비싼 희석제인 플로오르에테르 (Fluoro-ethers) 대신 고체 희석제인 NaNo₃염을 사용하고 불연성 물질인 TMP(trimethyl phosphate)를 첨가하는 것을 제안했습니다.

연구팀이 개발한 1.1M NaFSI-NaNO₃-TMP 전해액은 비싼 Fluoro-ethers를 저렴한 NaNo3로 교체하고 불연성 소재인 TMP를 사용하여 가격이 저렴하고 안전성이 향상되며 수명도 기존 전해액보다 개선된 결과를 가져왔습니다.

 

기존 Carbonate 전해액과 NaFSI-NaNO3-TMP 전해액의 수명비교

 

■ Graphjet technology, 농업 폐기물로 흑연 생산

 

2019년 말레이시아 쿠알라룸푸르에서 설립된 Graphjet technology는 저렴한 그래핀, 흑연 및 그래핀 기반 음극 재료를 생산하는 회사입니다. Graphjet은 농업 폐기물인 Palm Kernel 폐기물을 재활용하여 흑연을 생산할 계획입니다.

Graphjet은 말레이시아 파항 주 Kuantan 지역에 첫 번째 제조공장 건설을 진행하고 있습니다. 이 시설은 농업 폐기물인 Palm Kernel 폐기물 9,000톤을 재활용하여 연간 최대 3,000톤의 흑연을 생산할 수 있으며 이렇게 생산된 흑연에서 그래핀을 생산합니다. 이 시설은 2024년 2분기에 가동을 시작할 것으로 예상되며 2026년 하반기에는 연간 흑연 생산량을 13,000톤으로 확대할 계획입니다.

Graphjet은 기존 공정에 비해 탄소 배출량을 최대  83% 줄이고 비용을  최대  80% 절감합니다. Graphjet은 Toyota와의 3천만 달러 구매 계약을 포함하여 여러 전략적 고객의 지원을 받고 있습니다.

 

배터리 제조

■ Samsung 초격차 기술력 제품 포트폴리오 공개

 

삼성 SDI는 3월 6일부터 서울 코엑스에서 열리는 ‘인터배터리 2024’에 참가해 전고체 배터리 리더십과 ‘초격차 기술력’의 다양한 제품 라인업을 공개합니다.

삼성 SDI는 업계 최고 에너지 밀도를 자랑하는 900Wh/L 전고체배터리 양산 준비 로드맵을 공개합니다. 삼성 SDI의 전고체 전지는 에너지 밀도가 현재 양산 중인 각형 배터리 P5와 비교해 40%가량 높습니다.

삼성 SDI는 전고체 배터리 양산을 위해 지난해 말 관련 팀을 신설했으며 샘플 생산 등 사업화를 추진하고 있습니다.

초급속 충전 기술도 공개합니다. 업계 최초로 9분 만에 배터리 셀이 8%에서 80%까지 충전되는 기술로 2026년 양산을 목표로 합니다.

초(超) 장수명 배터리 양산 계획도 공개했는데 소재의 내구성 강화를 통해 20년간 사용 가능한 초 장수명 배터리를 2029년 양산할 수 있도록 계획 중입니다.

삼성 SDI는 부품 개수와 무게를 각각 35%, 20% 줄인 CTP(Cell To Pack) 기술과 배터리 화재 발생 방지 기술 등도 소개합니다. 화재 발생 방지 기술에는 배터리 내 충격이 가해지거나 화재가 발생할 경우 고열과 가스를 빠르게 배출하는 열확산 방지 기술을 공개합니다.

이 밖에도 하이니켈 NCA를 사용한 46 사이즈의 원통형 배터리와 , 미드니켈 NMX, LFP 등 다양한 배터리 라인업과 프리미엄부터 보급형까지 확대된 포트폴리오를 전시한다.

  

■ ION Storage Systems, 무음극 전고체 배터리 개발

 

미국 메릴랜드에 본사를 둔 전고체 배터리 제조업체인 ION Storage Systems은 자사의 무음극 무압축 전고체 배터리가 5% 미만의 성능 저하로 125사이클을 성공적으로 달성하고 초과했으며 향후 개발품에서는 1000사이클 이상의 결과를 보일 것이라고 발표했습니다. ION Storage Systems은 전기 자동차, 에너지 저장, 가전제품, 항공우주 등 다른 시장으로 확장하기 전에 미 국방부와 협력하여 자사의 전고체 배터리를 엄격하게 테스트해 왔습니다.

ION Storage Systems은 아래 그림과 같이 음극이 다공성의 세라믹층으로 구성되어 있는 무음극 형태이다. 충전하게 되면 다공성 세라믹층 사이로 리튬이 충전되기 때문에 다른 전고체 배터리들과 달리 충전 시 음극의 팽창이 없으며 계면저항을 줄이기 위한 압축이 필요 없어 조립구조가 단순합니다.

이 기술은 메릴랜드 대학의 Eric Wachsman박사 연구팀이 개발한 것으로 Garnet형  산화물인Li₇La₃Zr₂ 를 다공성 구조로 제작하여 양극과 음극에 사용하고 있습니다.

 

ION Storage Systems은 세라믹 제조 회사인 Saint-Gobain Ceramics와 공급 계약을 맺고 자사의 특허받은 전고체 전해질을 대량 생산할 계획을 가지고 있습니다.

 

■ Superdielectrics, 슈퍼캐패시터 Faraday1출시

 

영국 캠브리지에 본사를 둔 Superdielectrics Group 은 브리스톨 대학과 협력하여 Farady1으로 명명한 슈퍼캐패시터를 개발했습니다.

Superdielectrics는 저렴하고 지속가능한 에너지 시스템을 만든다는 비전을 가지고 전 세계 어디에서나 저렴한 그리드용 에너지를 공급하려고 합니다.

현재 ESS시장은 리튬이온 배터리와 납축전지가 주도하고 있는데 Superdielectrics은 새로운 수성 폴리머를 이용해 폴리머 기반 에너지 저장 기술인 Faraday1을 개발했습니다.  

Faraday1은 물리적인 전기장을 이용하는 캐패시터와 전기화학 특성을 이용하는 배터리를 혼합한 슈퍼캐패시터로 납축전지의 성능을 크게 능가하고 있습니다.

Faraday1은 풍력이나 태양광 발전을 통해 생성된 에너지와 같이 변동적이고 간헐적인 재생에너지를 저장해야 하는 ESS용으로 개발되었으며 기존의 납축전지보다 10배 이상 빠르게 충전할 수 있는 고효율의 에너지 저장장치입니다.

수성 폴리머를 주재료로 사용하므로 화재의 위험이 적고 원자재가 풍부하여 비용이 저렴합니다.

Superdielectrics는 브리스톨 대학교 연구팀과 함께 지난 2년 동안 에너지 밀도를 9배 증가시켰다고 밝혔습니다. Superdielectrics는 향후 슈퍼캐패시터 기술이 기존의 배터리 기술을 능가하게 될 것을 기대하고 있으며 전기 스쿠터, 지게차 및 오프 그리드 시장을 포함하여 연간 500억 달러 규모의 납축 배터리 시장과 경쟁할 것으로 예상하고 있습니다.

 

■ UCSA, 계면 손상 문제 복구 가능한 전고체 Li-S배터리용 양극재 개발

 

전고체 리튬-황 배터리는 고체 전해질, 리튬 금속으로 만들어진 음극, 황으로 만들어진 양극으로 구성되어 있으며 기존의 리튬이온 배터리보다 2배 이상의 에너지 밀도를 낼 수 있고 비용을 낮출 수 있기 때문에 차세대 전지로 떠오르고 있습니다.  

그러나 리튬-전지는 양극재인 황이 전자전도도가 좋지 않고 충방전 중 수축팽창이 심하여 고체 전해질을 사용하는 경우 접촉저항이 커지는 문제가 있습니다. 거기다 폴리 설파이드의 형성으로 수명이 떨어지는 문제도 존재합니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 UC San Diego Sustainable Power and Energy Center의 나노공학 교수인 Ping Liu는 황의 결정구조에 요오드가 삽입된 새로운 양극 활물질인 S_9.3I을 개발했습니다.

이 양극활물질은 기존의 황에 비해 전기전도성이 11배 높은  5.9 × 10^-7Scm^-1입니다. 무엇보다 이 소재는 요오드가 황의 분자 결합을 방해하여 녹는점을 65도로 낮추어 충방전으로 손상된 고체 전해질과 양극활물질 간의 계면을 단순히 온도를 높이는 것만으로 복구할 수 있습니다.

 

연구 내용은 2024년 3월 Nature에 “Healable and Conductive Sulfur Iodide for Solid-State Li-S Batteries”라는 제목으로 발표되었습니다.

 

자동차 OEM

■ Toyota, 배터리 생산능력 강화 위해 PEVE자회사로 인수

 

Toyota자동차는 자동차 배터리 양산 역량을 강화하기 위해 Panasonic과 공동출자해 설립했던 프라임어스 EV 에너지(PEVE: Primearth EV Energy Co., Ltd)의 Panasonic주식 보유분 19.5%를 전량 인수해 100% 자회사로 만드는데 합의했습니다. 인수는 3월 말 이뤄질 예정입니다.

지금까지는 BEV와 PHEV용 배터리는 Toyota와 Panasonic이 공동출자한 합작회사인 (Toyota 51%, Panasonic 49%) 프라임 플래닛 에너지&솔루션즈 (PPES: Prime Planet Energy & Solutions)가 담당해 왔고 PEVE는 HEV용 배터리를 생산하고 있었지만 이번 인수를 통해 Toyota는 PEVE가 HEV뿐 아니라 BEV와 PHEV 배터리도 생산하도록 할 계획입니다.

PEVE는 1996년 마쓰시타 전기 산업과 마쓰시타 전지 공업, Toyota 3개 사가 공동 출자해 ‘파나소닉 EV에너지’로 설립됐었습니다.

당초 마쓰시타 그룹의 출자비율은 60%에 달했지만 Toyota가 HEV 사업을 확장하면서 출자비율을 점차 높여와 Toyota 80.5%, Panasonic 19.5%까지 늘려왔습니다.

PEVE의 생산능력은 2021년 기준 6 GWh이지만 2030년까지 280 GWh로 높일 계획이라고 합니다.

 

■ Aston Martin, 첫 배터리 전기차 출시 1년 연기

 

지난 6월, Aston Martin은 미국 전기차 업체 Lucid와 협력해 럭셔리 전기차 개발에 나서기로 했습니다.

Aston Martin의 첫 번째 전기차는 Mercedes-Benz의 전자 장치와 Lucid의 하드웨어를 결합하고 영국 제조업체의 개발 플랫폼을 기반으로 하는 4륜 구동 크로스오버가 될 예정이었습니다. 이 플랫폼은 4개의 모터로 최대 1500hp의 출력을 내는 것으로 계획되어 있었습니다.

하지만 현재 Aston Martin은 지속적인 구조조정 과정 중에 있으며 여러 가지 외부 요인으로 계획을 변경하여 2025년 예정이었던 이 차량의 생산을 2026년으로 연기하기로 했습니다. 이러한 결정은 “친환경” 모델에 대한 소비자 수요가 회사가 몇 년 전 예상했던 것만큼 높지 않다는 판단에 따른 것입니다.  아울러 고급 모델 (슈퍼세단 및 SUV)를 별도의 하위 브랜드로 출시하는 것을 목표로 진행하던 Lagonda 프로젝트도 중단하기로 결정했습니다.

로렌스 스트롤(Lawrence Stroll) 회장은 Aston Martin의 스포츠카와 SUV가 이미 상당히 럭셔리하다고 믿기 때문에 성능이 떨어지는 럭셔리 자동차를 출시할 생각이 없다고 덧붙였습니다.

첫 번째 전기차의 출시를 연기하면서 Aston Martin은 PHEV 모델 개발에 집중하기로 결정했습니다. 가장 가까운 PHEV 모델은 미드 엔진 스포츠카 Valhalla로, Mercedes-AMG의 4.0리터 V8 바이터보 엔진과 두 개의 전기 모터를 결합하여 총 950마력의 출력을 낼 예정입니다

  

■ BMW, 태국에 고전압 배터리 조립 공장 건설 착수

 

BMW는 태국에 자사의 5세대 고전압 배터리 팩 제조시설 건설을 시작했습니다.

태국 라용(Rayong) 지역에 4000평방미터의 규모로 지어지는 이 조립라인은 배터리 셀을 모듈로 조립한 후 고전압 배터리 팩으로 생산하게 됩니다. BMW그룹은 이 프로젝트에 16억바트 (약 4200만 유로) 이상을 투자했으며 이중 14억 바트는 최점단 장비와 시스템 구매에 사용될 예정입니다.  

BMW는 라용공장에서 전기차 배터리뿐 아니라 전기차를 생산하는 시설도 준비 중이며 2025년에 전기차를 생산하는 것을 목표로 하고 있습니다.

BMW은 중국과 헝가리에 전기차 배터리팩 공장을 설립했으며 동남아시아 지역은 이번이 첫 번째 전기차 배터리팩 공장입니다. 

태국 전기차 시장은 동남아 전기차 생산 허브로 육성하려는 정부의 적극적인 지원 정책으로 빠르게 성장하고 있습니다.

태국 정부는 2030년까지 전체 자동차 생산량의 30%를 전기차로 전환하는 것을 목표로 보조금을 제공하고 투자 유치에 나서고 있습니다.

현지 자동차 시장은 전통적으로 일본 업체들이 압도적인 시장 점유율을 차지해 왔으나, 전기차 부문은 중국이 장악하고 있으며 현재 태국 전기차 시장 점유율은 80%에 육박한다. 특히 중국 업체 BYD는 지난해 태국에서 가장 많이 팔린 전기차 브랜드입니다.

중국 외 주요국 자동차 업체들도 최근 태국 전기차 시장 공략을 강화하고 있습니다.

2022년 말 태국 시장에 진출한 테슬라는 현지 전기차 공장 건설을 검토 중이며 도요타 등 일본 업체들도 태국 내 전기차 생산 확대를 추진 중인 것으로 알려져 있습니다.

 

재활용

■ 24M, 배터리 직접 재활용 방법 Liforever출시

 

24M은 자사의 SemiSolid 리튬이온 배터리를 위한 직접적인 재료 재활용 방법인 Liforever를 발표했습니다.

바인더를 사용하는 기존의 리튬 이온 배터리는 직접적인 재활용이 불가능하지만 바인더를 사용하지 않는 24M의 Semi Solid배터리는  배터리의 수명이 다했을 때 LFP 및 배터리 소재들을 환경적으로 까다로운 공정 없이 비용 효율적으로 회수하고 재사용할 수 있습니다.

기존의 리튬 이온 전지는 고가의 유독성 열 야금 및 습식 야금 재활용 공정을 사용하여 Black Mass를 양극과 음극 재료로 재활용하게 되는데 이때 기존의 구조를 손상시키게 되고 높은 공정비용이 발생합니다. 특히 높은 공정비용으로 인해 니켈, 망간, 코발트 등 비싼 금속만이 Black Mass에서 비금속 형태로 추출되어 배터리 재료로 재 사용되었지만 LFP와 같은 저가의 재료는 재활용하지 않았습니다.

Liforever는 활성 물질을 원래 형태로 유지하며 Black Mass를 만들지 않고 활성 물질을 원래 형태로 유지하여 재활용할 수 있습니다.  따라서 양극(흑연)과 음극(NMC, LFP, NCA 등)의 모든 활성 물질을 저비용으로 재활용할 수 있습니다. 회수 후 활성 물질은 저비용으로 세척하고 필요에 따라 재리튬 화하여 원래의 용량을 되찾을 수 있습니다.

 

위 그림에서 볼 수 있듯이 24M은 수명이 다한 LFP 셀을 Liforever방법으로 재활용 이전의 LFP 셀과 동일한 성능을 내는 수준으로 재활용했습니다.

 

■ Altium, Nissan과 전기차 배터리 재활용 위한 파트너십 체결

 

영국에 본사를 두고 있는 Altilium은 Nissan과 전기차 배터리 재활용을 위한 파트너십을 체결했습니다. 양사는 Altilium의 친환경 처리 기술을 바탕으로 원자재 재활용의 잠재력을 극대화하고 배터리 소재의 '폐쇄 루프' 모델을 개발하여 채굴 필요성을 줄이고 천연자원을 절약하기 위해 협력할 계획입니다. 여기에는 사용 후 폐기된 닛산 리프 배터리와 배터리 생산 중 나온 스크랩을 처리하여 양극활물질을 생산하게 됩니다.

Altilium의 독점적인 EcoCathode 제련 공정은 수명이 다한 전기차 배터리에서 리튬을 포함한 음극 금속의 95% 이상을 회수할 수 있습니다. 이렇게 회수된 소재는 단순히 재활용되는 데 그치지 않고 하이니켈 양극 활물질로 재설계 및 업사이클링되어 새 배터리에 사용합니다.

Altilium은 순수 채굴하는 방법에 비해 탄소 발자국을 50%, 비용을 20% 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

 

 

출처: https://batteriesnews.com/