Amprius의 초고속 충전 배터리 기술

요약:

미국의 스타트업인 Amprius는 실리콘 100%를 사용하여 세계최고 에너지밀도(500Wh/kg)와 초고속 충전(6분 만에 80% 충전)이 가능한 배터리를 개발했습니다.

Amprius의 차별화된 기술은 음극에 있습니다. 기존의 습식코팅 방식이 아닌 화학적 기상 증착방법인 CVD (Chemical Vapor Deposition) 방법으로 제조된 실리콘 나노와이어 구조의 음극을 사용합니다.

3가지 다른 구조의 실리콘으로 구성된 이음극의 독특한 특성은 일반적인 실리콘 음극의 최대 문제인 팽창에 의한 수명열화 문제를 해결하고 고출력과 고속충전을 가능하게 합니다.  

 

1. Amprius의 설립 배경

 

Amprius Technologies는 스탠퍼드 대학교 교수인 Yi Cui (崔屹)와 투자자인 Mark Platshon이 2008년에 설립한 리튬 이온 배터리 개발회사로 100% 실리콘 나노와이어 음극 플랫폼을 기반으로 고에너지 밀도 고출력의 셀을 개발하고 있습니다. 본사는 미국 캘리포니아 프리몬트에 있습니다.  

Amprius의 핵심 기술인 나노와이어 음극을 개발한 Yi Cui (崔屹) 교수는 1998년 중국 과학기술 대학에서 화학학사 학위를 취득한 후 하버드 대학에서 석박사 학위를 받았습니다. 그는 하버드 재학시절부터 실리콘 나노와이어 기술을 연구하였고 2005년 스탠퍼드대학교 신소재 공학과 교수로 부임한 후 본격적으로 에너지와 환경 관련 연구를 시작했습니다.

잘 알려진대로 실리콘은 흑연의 10배 가까운 용량을 가졌지만 충전 시 초기 부피의 3배 이상 부푸는 문제 때문에 많은 양을 사용할 수 없었습니다. Yi Cui 교수는 이 문제를 해결하기 위해 실리콘 나노와이어 전극을 개발했습니다. 실리콘 나노와이어의 머리카락 같은 구조는 실리콘 나노와이어가 리튬을 흡수하면서 부풀어 오르더라도 팽창을 견딜 수 있어 기존 실리콘의 수명 문제를 해결할 수 있었습니다.

 

 

Yi Cui교수가 2008년 Nature Nanotechnology에 발표한 실리콘 나노와이어의 충방전후 부피 변화 모습

실리콘 나노와이어는 일반적인 리튬이온 배터리의 음극처럼 습식 코팅방식으로 제조할 수 없기 때문에 화학적 기상 증착 방법 (CVD: Chemical Vapor Deposition)으로 집전체인 동박에 증착시킵니다. 이를 위해 Amprius는 증착 (Deposition) 시스템 및 공정분야의 선두업체인 네덜란드의 Meyer Burger와 협력하여 다단계로 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition)을 할 수 있는 새로운 장비를 개발했습니다.
기존의 CVD를 이용한 경우는 연속 공정이 아니었지만 Amprius는 이 장비를 개발하므로 기존 리튬 이온 배터리 극판공정과 같은 Roll to Roll 방식의 생산이 가능하게 되었습니다.

Meyer Burger사와 공동으로 개발한 실리콘 나노 튜브 다단계 화학 기상 증착(CVD) 설비

2. Amprius의 제품들

1). 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 (월 500Wh/kg, 1300Wh/L)

Amprius는 지난 3월 500Wh/kg, 1300Wh/L의 세계최고 에너지밀도를 내는 리튬이온배터리를 공개했습니다. 이 셀을 테스트한 배터리 테스트 전문 업체인 Mobile Power Solutions은 이 셀이 25°C에서 >504 Wh/kg 및 >1321 Wh/L를 낼 수 있다고 발표했습니다.

Amprius 의 500Wh/kg배터리 테스트 결과

이 셀은 기존 전기 자동차뿐 아니라 전기 자동차 보다 더 높은 에너지를 필요로 하는 eVTOL, UAM (Urbal Aviation Mobility), 전기 항공기에도 사용될 수 있습니다.

Amprius는 이셀을 먼저 우선 고고도 장거리 비행 (HALE: High-Altitude Long Endurance)무인 항공기를 개발하는 영국의 BAE systems과 Airbus에 제공할 계획입니다.

BAE system사의 PHASA-35 (좌), Airbus사의 Zephyr

낮에는 태양전지판으로 에너지를 발생시켜 비행체에 전력을 공급하고 배터리를 충전하며 밤에는 배터리로 비행을 하는 고고도 장거리 비행 무인항공기는 기존에 위성이  하던 일을 훨씬 저렴한 비용으로 운영할 수 있어 개발이 한창 진행되고 있습니다.

 

2). 기존 제품군

기존 제품군들은 무인 드론이나 고고도 장거리 비행체, eVtol등에 맞게 에너지 밀도가 높고 고속충전이 가능한 사양으로 개발되었습니다.

아래표는 기존의 흑연 음극을 사용하는 배터리와 비교한 Amprius제품의 성능 비교표입니다.

 

3. Amprius의 기술

Amprius의 주요기술은 100% 실리콘을 사용하는 실리콘 나노와이어 음극입니다. 양극은 기존 리튬이온 배터리와 동일한 재료와 공정으로 만들어집니다.

양면으로 코팅된 Amprius 의 실리콘 나노와이어 음극

1). 실리콘 나노 와이어의 장점

■ 고용량

실리콘은 흑연보다 10배의 용량을 낼 수 있다

실리콘은 오래동안 리튬이온 배터리의 주요 음극 활물질로 사용되어 온 흑연보다 10배의 용량을 낼 수 있습니다. 그러나 실리콘은 충전 시 부피가 3배 이상 팽창하게 되고 이는 실리콘 입자에 크랙을 일으켜 여러 차례 충방전을 반복하게 되면 실리콘 입자가 깨져 더 이상 충방전을 진행할 수 없게 됩니다. 이런 문제 때문에 실리콘 입자는 단독으로 사용되지 못하고 흑연과 혼합하여 사용하거나 실리콘 입자에 탄소를 코팅하는 등의 개선을 하고 있지만 100% 실리콘만 사용하지는 못하고 있습니다.

Amprius는 이러한 문제를 해결하기 위해 실리콘을 나노와이어 형태로 동박에 증착시킨 후 나노와이어 표면에 2종류의 성질이 다른 실리콘을 코팅하여 부피 팽창 문제를 해결하였습니다. 충방전을 반복해도 입자가 깨지는 문제가 발생하지 않으므로 기존 실리콘을 사용하는 경우처럼 흑연과 혼합할 필요 없이 실리콘을 100% 사용할 수 있습니다.

또한 음극판을 제조할 때 바인더나 도전제를 사용할 필요가 없습니다. 기존 흑연 음극은 용량을 내는 흑연 외에 접착물질인 바인더와 전기전도성을 증가시키기 위한 탄소도전제를 3~4% 사용해야 하므로 용량을 내는 흑연의 비율은 96~97% 정도였습니다. 그러나 Amprius의 실리콘 나노와이어 음극은 화학기상 증착방법 (CVD)을 사용하여 별도의 바인더나 도전제가 필요하지 않아 말 그대로 100% 실리콘을 사용할 수 있으므로 에너지밀도를 높일 수 있습니다.

 

■ 장수명

 

실리콘 음극의 열화 메커니즘

위 그림에서 보듯이 기존의 실리콘 음극은 충전시 부피 팽창이 일어나 크랙이 생기고 충방전을 반복하면서 입자가 부서지게 됩니다. 부서진 입자 주변으로 SEI가 다시 생겨나면서 전해액 내의 리튬은 소모되고 수명이 단축되게 됩니다.

 

반면에 Amprius의 실리콘 나노와이어 음극은 충방전을 반복해도 실리콘 입자가 깨지지 않는데 그 이유는 실리콘 나노입자의 구조 때문입니다.

실리콘 나노와이어 입자의 구조(좌)와 실리콘 코팅부를 확대한 모습 (우)

위 그림에서 보는 바와 같이 실리콘 나노와이어 음극은 3가지의 다른 특성의 실리콘으로 구성되어 있습니다.

 

①. 실리콘 나노와이어 템플릿

첫 번째 구조는 위 그림과 같이 집전체인 동박에 증착 (deposition)되어 실리콘 음극의 기둥역할을 하는 실리콘 나노와이어 Template입니다. 일반적인 실리콘 전극은 바인더를 이용해 집전체인 동박에 접착시키는데 충방전을 반복하게 되면 실리콘입자의 부피 팽창으로 인해 실리콘 입자가 부서지면서 집전체인 동박과의 접촉도 끊어져 전자수송능력이 떨어지게 됩니다. 반면에 실리콘 나노와이어 템플릿은 바인더를 사용하지 않고 VLS (Vapour-Liquid-Solid) 방법이나 VS (Vapour–Solid) 방법으로 직접 동박표면에 직접 증착시켜 성장시키기 때문에 접착력이 강합니다. 또한 직접적인 충방전 반응에 참여하지 않고 전자를 전달하는 역할만 수행하므로 충방전에 따른 부피 팽창이 없어 손상되지 않습니다.

 

② 첫 번째 실리콘 층

두 번째는 실리콘 나노와이어 Template표면에 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식으로 코팅된 실리콘 층입니다. PECVD는 열을 에너지원으로 하는 일반적인 CVD와 달리 플라즈마를 에너지원으로 사용합니다. PECBD는 저온에서도 증착이 가능하고 속도가 빠르며 코팅막이 잘 형성되는 장점이 있는 반면에 불균일하게 코팅이 되며 코팅 밀도가 떨어지는 단점이 있습니다.

PECVD방식으로 코팅한 첫 번째 실리콘층은 실리콘 나노와이어 Template에 코팅층이 잘 형성되지만 균일하게 코팅이 되지 않는 PECVD의 특성상 실리콘 나노와이어 Template의 꼭대기 부분은 두껍게 코팅되고 뿌리 부분으로 갈수록 얇게 코팅이 되며 동박에는 코팅이 되지 않게 됩니다. 그러나 이런 구조는 수명에는 유리하게 작용합니다. 동박에 붙어 있는 실리콘 나노와이어 Template의 뿌리 부분에는 실리콘이 거의 없기 때문에 충방전시 부피 팽창의 영향을 받지 않아 동박과의 견고한 접착을 유지할 수 있습니다.

또한 PECVD방식은 열을 에너지원으로 사용하는 TCVD (Thermal CVD) 방식으로 증착한 필름층보다 밀도가 높지 않습니다. PECVD방식으로 증착한 실리콘은 2.25g/cm3이하의 낮은 밀도를 가지는데 이는 실리콘 층 안에 많은 빈 공간이 존재하기 때문입니다. 이러한 구조는 충전 시 리튬이 삽입되어 실리콘이 팽창할 때 완충작용을 하여 실리콘 입자가 분쇄되지 않도록 하여 수명에 긍정적인 기능을 합니다.

반면에 이러한 구조에 단점도 존재합니다. 동박과 가까운 실리콘 나노와이어 Template의 뿌리 부분으로 갈수록 첫 번째 실리콘층의 코팅이 줄고 실리콘 나노와이어 Template만 존재합니다. 실리콘 나노와이어 Template은 전기화학반응에 참여하지 않기 때문에 체적 에너지밀도 측면에서는 최적의 구조라고 볼 수는 없습니다. 그렇다고 에너지 밀도를 높이기 위해 뿌리 부분에도 실리콘이 분포하도록 실리콘 코팅의 두께를 더 두껍게 하게 되면 꼭대기 부분의 실리콘 코팅 두께가 너무 두꺼워져 충방전시 분쇄되어 수명을 단축시킬 수 있습니다.

또 하나의 단점은 첫 번째 실리콘층에 존재하는 빈 공간이 너무 크게 되면 실리콘층의 표면적이 커지고 수분이 잘 흡착되는 문제가 있습니다. 큰 표면적과 흡착된 수분은 SEI 층을 두껍게 만들어 충방전 효율을 떨어뜨리고 수명을 저하시킬 수 있습니다.

따라서 첫 번째 코팅층의 두께와 밀도를 최적화할 필요가 있습니다.

 

③ 두 번째 실리콘 층

앞서 언급한 첫 번째 실리콘층의 단점을 해결하기 위해 두 번째 실리콘 층이 필요합니다. 두번째 실리콘 코팅층은 TCVD (Thermal CVD) 방식으로 첫 번째 실리콘층 위에 증착되게 되는데 TCVD는 균일한 코팅이 가능하고 코팅 밀도가 높습니다.

위의 그림에서 보는 바와 같이 두 번째 실리콘층은 첫 번째 실리콘 층과 동박 위에 균일하게 분포하게 되며 첫 번째 실리콘 층보다 밀도가 높습니다. 두번째 실리콘 층은 크리스탈린 실리콘보다는 밀도가 낮지만 첫번째 실리콘 층의 밀도보다는 0.05~0.3g/cm3 더 높습니다.

두 실리콘 층은 서로 다른 역할을 수행합니다. 10~50μm의 두께로 두껍게 코팅이 되는 첫번째 실리콘층은 충방전 반응이 주로 일어나는 곳입니다. 낮은 밀도로 코팅되어 빈 공간이 많기 때문에 충방전 진행 시 실리콘의 부피 팽창을 완충시켜 실리콘이 깨지지 않도록 합니다.

10~500nm두께로 얇게 코팅이 되는 두 번째 실리콘층은 밀도가 높아 SEI를 균일하게 형성시키며 첫 번째 실리콘층을 보호합니다.

이처럼 첫 번째와 두 번째 실리콘 층은 밀도와 두께가 다르게 코팅이 되는 데 사용하는 전해액의 종류, 배터리의 용량, 나노와이어 Template의 밀도에 따라 실리콘층의 밀도와 두께를 최적화하여야 합니다.

 

■ 고출력, 고속충전

위 그림에서 보는 바와 같이 실리콘 나노와이어 음극은 용량이 기존의 흑연 음극보다 높기 때문에 훨씬 얇게 제작할 수 있습니다. 이로 인해 리튬이온의 이동거리가 흑연 음극보다 짧아 리튬이온의 이동속도를 빠르게 할 수 있습니다.

또한 나노와이어의 직선형 구조는 기존흑연 음극과 달리 이온과 전자의 이동경로를 직선으로 이동할 수 있도록 합니다. 이런 구조는 고출력과 고속충전을 가능하게 해 줍니다.

이러한 구조적인 특성으로 Amprius의 실리콘 나노와이어 전지는 6분 안에 80%까지 충전이 가능합니다.

아래 그림은 2.8Ah용량의 실리콘 나노와이어 전지를 10C의 전류로 4.35V까지 정전류 정전압 방식으로 충전하는 모습입니다. 2분 15초 동안 10C의 정전류로 충전되며 셀의 최고 온도는 57.3℃였습니다. 이후 4.35V의 정전압 모드로 전환되며 5분 59초 만에 충전량 80%에 도달했습니다.

2.8Ah 셀의 초고속 충전 시연

 

 

4. Amprius 배터리 제조 공정

Amprius 의 배터리 제조공정

실리콘 나노와이어 음극은 일반적인 흑연 음극과 같이 습식코팅 공정으로 제조가 불가능하고 CVD공정으로만 제조할 수 있기 때문에 음극 제조 공정만 기존 리튬이온 배터리 공정과 차이가 있고 나머지 양극판 제조나 조립, 화성공정은 기존의 파우치셀을 제조하는 공정과 동일합니다

앞서 설명한 대로 실리콘 나노와이어 음극은 3가지 다른 형태의 실리콘으로 구성되었습니다. 각각의 실리콘을 코팅하기 위해서는 3가지 다른 방식의 CVD방식이 필요합니다.

아래 그림은 Amprius의 파이롯라인에 설치된 실리콘 나노와이어 코팅장비의 조작화면입니다. 3가지 다른 CVD방식을 연속으로 한 공정에서 실행할 수 있습니다. 화면에는 총 11개의 제조 단계가 있습니다.

Amprius Pilot line의 실리콘 나노와이어 제조 설비 조작화면 (상), 세부 공정 (하)

첫 번째 단계는 동박에 실리콘 나노와이어 Template을 증착하는 공정으로 어떤 방식의 CVD를 사용하는지는 나와 있지는 않지만 일반적인 나노와이어를 증착하는 방식인 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방식이나 VS (Vapor-Solid) 방식을 사용하는 것으로 추정됩니다. 나노와이어 templete은 전체 11단계에서 총 7단계로 60% 이상을 차지하고 있습니다.

두 번째 단계는 첫 번째 실리콘층을 증착하는 단계로 플라즈마를 이용한 PECVD (Plasma Enhanced CVD)를 사용합니다.

세 번째 단계는 두 번째 실리콘 층을 증착하는 단계로 TCVD (Thermal CVD)를 사용합니다.

현재 Amprius의 파일롯라인에서는 네덜란드의 Smit가 제조한 실리콘 나노와이어 증착장비를 사용하고 있지만 향후 양산시에는 독일의 Centrotherm의 장비를 사용하여 생산속도를 높일 예정입니다.

Pilot라인에 설치된 Smit사의 실리콘 나노와이어 음극 코팅장비 (좌), 양산시 사용할 Cerntotherm사의 코팅 장비 (우)

 

5. 향후 계획

1) 고성능 EV로 제품 확장

Amprius는 지난 3월 500Wh/kg의 세계최고 에너지밀도 배터리를 공개한 후 8월에는 업계최고출력과 에너지를 가지는 배터리를 발표했습니다.

Amprius는 기존에 무인드론이나 UAM, eVTOL 등을 자사의 주요 타깃으로 삼았지만 향후 고에너지 고출력 배터리를 고성능 EV에도 공급하는 방향을 고려하고 있습니다. 이 배터리는 400Wh/kg의 에너지밀도를 가지며 표준 방전조건에서 3500W/kg의 출력밀도를 낼 수 있고. 높은 SOC에서는 4400W/kg를 낼 수 있습니다. EV차량에 적용할 경우 제로백 1.5초 미만을 달성할 수 있다고 합니다.

2) 양산 계획

Amprius는 지난 3월에 콜로라도 브라이튼에 있는 77만 5천 m²의 공간에 기가팩토리를 짓겠다고 발표했습니다. 2025년 가동을 목표로 하는 이 공장은 초기 연간 생산량 500 MWh규모에서 시작하여 최대 5 GWh까지 확장할 계획입니다

미국 콜로라도 브라이튼에 지어질 Amprius의 기가팩토리 조감도

 

 

출처:

1. Conducting polymers and composites nanowires for energy devices: A brief review_Materials Science for Energy Technologies. Volume 3, 2020, Pages 78-90

2. US patent_US10096817B2 "Template electrode structures with enhanced adhesion characteristics"

3. Amprius website

4. Nobody Has Anything Like This: Amprius Factory Tour https://www.youtube.com/watch?v=v_Hd4HfH1ss