"배터리 2030+" 전략을 통해본 유럽의 배터리 개발 전략

요약:

EU는 상대적으로 뒤쳐진 배터리 분야에서의 입지를 강화하고 주도권을 쥐고자 다양한 정책을 세우고 공격적으로 투자를 진행중이다. 특히 연구 개발 부분에서 주도권을 확보하고자 2020년 3월에 배터리 2030+전략을 발표하고 진행중이다. 배터리 2030+전략의 구체적인 내용을 몇주간 살펴보고 배터리 개발에 참고할 만한 내용이 있는지 알아보고자한다.

배터리 2030+의 목표와 연구 영역

최근 유럽 국가들은 배터리 연구개발 및 생산 역량 증대를 위해, 국가 차원의 협력을 확대하고 적극적인 연구개발 투자에 나서고 있다. 특히 유럽연합은 전 세계 배터리 시장을 선점하고 있는 동아시아 국가들을 견제하고, 배터리 분야에서 유럽연합의 입지를 더욱 강화하기 위해 개별 국가 차원이 아닌 유럽연합 전체가 협력하기 위한 다각적인 노력을 기울이고 있다. 그중 2020년 3월 발표되어 진행되어 오고 있는 BATTERY 2030+ 전략은 범유럽 차원의 연구개발 프로젝트로 유럽이 배터리 연구개발 분야의 주도권을 확보하기 위해 필요한 주제와 연구영역들을 제시하고 있는 대규모, 장기 연구개발 프로젝트이다
유럽의 BATTERY 2030+ 전략 주요 내용을 분석해보고자 한다.

1. BATTERY 2030+ 수립 배경

배터리 시스템은 에너지 시스템의 혁신과 온실가스 감소를 위한 필수적 수단임
유럽연합은 유럽 그린딜 (European Green Deal)를 통해 2050년까지 탄소 배출 제로를 통해 기후 변화를 극복하겠다고 선언했다.
전 세계적으로 온실가스 감소 효과는 운송 16%, 전력 발전 23%로 다른 부분보다 운송과 전력 발전 부분에서 효과가 가장 크게 나타나고 있다.
이러한 효과는 유럽에서 더욱 높게 나타나는데, 유럽에서의 운송 부문을 놓고 보면 25%, 그중 소형 운송(화물 및 교통) 부문에서는 69%로 잠재 가치가 매우 높게 나타나고 있다. 즉 배터리를 사용한 모빌리티의 전기화와 신재생에너지에서 얻은 연료를 통해 글로벌 온실 가스 감소 목표의 많은 부분을 달성할 수 있다는 의미이다. 
이것을 달성하기 위해서는 핵심기술인 배터리 기술의 현재 성능을 획기적으로 개선하는 초고성능 기술을 달성하여야 한다.
초고성능 기술이란 에너지와 전력 효율을 이론적 한계치까지 이끌어내면서, 긴 수명과 신뢰성, 안전성, 친환경성을 갖추고 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하게 하는 기술을 의미한다.
이러한 초고성능 기술을 개발하기 위해서는 어느 한 회사나 국가차원이 아닌 범 유럽적인 협력과 공동연구가 필요하다고 판단하여 배터리 2030+를 추진하게 되었다.

2. BATTERY 2030+의 핵심 목표

BATTERY 2030+의 핵심 목표는 아래와 같이 3가지로 구분할 수 있다.

목표	세부 내용
초고성능 배터리 개발	장수명, 저렴한 가격, 지속가능성, 친환경성 및 안전성을 갖춘 초고성능의 배터리(Ultra-high performance batteries)를 개발한다
새롭고 혁신적인 기술 및 도구 개발	배터리 가치사슬 (value chain), 즉 배터리의 재료, 배터리 생산, 배터리의 응용 및 재활용 등의 전분야에서 새롭고 혁신적인 기술 및 도구를 도입한다.
현재와 미래의 배터리 시장에서 장기적 리더십 확보	현재 존재하는 2가지 시장인 운송 및 에너지 저장장치의 배터리 시장 뿐 아니라 미래에 급부상할 로봇, 항공우주, 의료장비, IoT(사물인터넷) 시장에서 유럽의 장기적 리더십을 확보한다.

 

3. 배터리 2030+의 개발 방법: 화학 중립적 접근법 (Chemistry-neutral approach)

배터리 2030+는 미래의 배터리를 개발을 위해 화학 중립적 접근 방식을 따른다. 화학 중립적 접근 방식은 현재 주류로 사용되고 있는 리튬이온 배터리와 같이 특정한 배터리에 대한 기술을 개발하는 것이 아닌 배터리 디자인 및 개발 방식을 완전히 바꾸기 위한 포괄적인 개발 도구(generic toolbox)를 만드는 것을 목표로 하는 것이다.
이를 위해 다음과 같이 3개의 핵심테마와 각 테마당 2개의 연구영역, 총 6개의 연구 영역에 초점을 두고 개발을 진행한다.

배터리 2030+의 개발 방법-화학적 중립적 접근법

4. BATTERY 2030+이 추진하는 3가지 테마, 6가지 연구 영역

테마		연구영역
1	배터리 인터페이스 및 재료 발굴의 가속화 (Accelerated discovery of battery interfaces and materials)	배터리 인터페이스 게놈: BIG (Battery Interface Genome)
		재료 가속 플랫폼: MAP (Materials Acceleration Platform)
2	스마트 기능의 통합 (Integration of smart functionalities)	센싱 (Sensing)
		자가복원기술 (Self-healing)
3	공통연구분야 (Cross-cutting area),	제조용이성 (Manufacturability)
		재활용성 (Recyclability)

테마 1. 배터리 인터페이스 및 재료 발굴의 가속화 (Accelerated discovery of battery interfaces and materials)

초고성능의 배터리(Ultra-high performance batteries)를 개발하기 위해서는 무엇보다 고에너지/고밀도의 성능을 가질 뿐 아니라 배터리의 노화도 적은 높은 안정성을 가지는 새롭고 지속 가능한 재료의 개발이 중요하다. 이러한 재료를 개발하려면 배터리 내부에 존재하는 재료 인터페이스들 사이에서 일어나는 복잡한 반응이 주의 깊게 연구되어야 한다.

연구영역 1. 배터리 인터페이스 게놈: BIG (Battery Interface Genome)

재료에 따라 배터리의 성능과 안전성 수명 등이 영향을 받지만 그러한 재료들을 효과적으로 사용하기 위해서는 무엇보다 어떠한 반응이 어떻게 일어나는지를 규명해야 한다. 이러한 반응들은 배터리 인터페이스에서 생성되지만 아직까지 이 부분에 대한 연구와 이해도는 낮은 편이다. 이러한 다양한 배터리 재료들의 인터페이스에서의 반응을 규명하여 안전성, 수명이 향상된 고성능 배터리 개발을 기대하는 것이 배터리 인터페이스 게놈의 목적이다. 
그러나 배터리에 사용되는 재료와 조합은 방대하기 때문에 이러한 연구는 몇몇 연구소나 기업의 노력으로 가능한 것이 아니다. 즉 이러한 연구는 유럽 내 모든 배터리를 연구 개발하는 기관들이 배터리를 개발하는 전 과정에서 생성된 데이터들을 공유할 수 있어야 가능하다. 따라서 배터리 인터페이스 게놈(Battery Interface Genome, BIG)의 핵심 과제는 유럽 내 모든 기관들이 데이터들을 자율적으로 수집, 처리, 분석할 수 있는 “유럽 내 데이터 인프라”를 개발하는 것이다.

연구영역 2. 재료 가속 플랫폼: MAP (Materials Acceleration Platform)

배터리 인터페이스 게놈을 통해 구축된 방대한 재료들의 데이터는 자동 합성 및 분석, 재료 및 인터페이스의 특성 시뮬레이션, 자율 데이터 분석 및 데이터 마이닝 등이 진행되어야 한다. 재료 가속 플랫폼은 이러한 방대한 데이터를 처리하기 위해 인공지능(AI) 및 기계 학습 (Machine Learning) 기술을 활용하는 것을 말한다.

테마 2. 스마트 기능의 통합 (Integration of smart functionalities)

앞서 언급한 테마 1의 기술을 통해 열화가 적고 안전성이 높은 재료로 배터리를 만든다 하더라도 배터리는 내부의 에이징 반응과 외부 온도 변화 및 충격, 과전력 등의 통제하기 어려운 요인들로 인해 수명과 안전성이 떨어질 수밖에 없다. 또한 배터리는 문제가 발생한 경우 수리가 불가능하다. 이러한 문제를 극복하기 위해 제안하는 것이 스마트 센서 기술과 자가 복원 기능을 배터리 셀에 통합시키는 것이다. 
이와 같이 배터리의 이상 징후를 나타내는 배터리의 핵심 물리량을 스마트 센싱 기술로 모니터링하고 자가 복원 기능을 활성화하여 배터리 고장으로 이어지는 내부 손상을 자체적으로 수리하게 되면 배터리의 수명과 안전성을 비약적으로 향상할 수 있을 것이다.

연구영역 3. 센싱 (Sensing)

수명과 안전성이 저하되는 조짐이 나타날 때 셀에 “화학” 및 “전기화학반응”을 센서를 설치하여 배터리의 상태를 지속적으로 진단하는 센서를 개발하는 것이다.

연구영역 4. 자가복원기술 (Self-healing)

센싱 기능을 통해 발견된 문제 부분의 손실된 기능을 배터리 스스로 복원시키는 자가 치유 기능을 말한다.

테마 3. 공통 연구분야 (Cross-cutting area)

이 연구테마는 비용과 시간을 줄이면서 최적의 성능을 발휘하고 효과적인 재활용도 가능한 배터리를 설계 제작하는 방법을 찾는 것을 목적으로 한다. 

연구영역 5. 제조 용이성 (Manufacturability)

셀 설계에 딥러닝 및 머신러닝을 통한 인공지능 기술들을 사용하여 비용과 시간을 줄이고 제조공정 역시 시뮬레이션 도구를 사용해 설계를 효과적으로 구현할 수 있는 최적의 제조방법을 찾는다.

 

연구영역 6. 재활용성 (Recyclability)

배터리의 지속 가능성을 추구할 수 있도록 재활용을 고려한 설계와 제조방법을 찾는다. 

5. 연구 부문 간의 상호작용

6개의 연구 분야는 독립적이지 않고 위 그림과 같이 서로 상호작용을 한다.
- 새로운 재료를 발굴하고 인터페이스 구축을 위해 활용되는 배터리 인터페이스 게놈(BIG), 재료 가속 플랫폼(MAP)은 자가복원 재료와 화학 물질을 발굴하고 최적화하는데도 적용되어 설계와 생산, 재활용에 활용될 것이다.
- 셀의 상태를 모니터링하고 진단하는 센서는 대량의 데이터를 제공하며, 이러한 데이터는 MAP에서 사용되는 AI에 제공되어 체계적으로 축적된다.
- 센싱과 자가 복원 기능은 BMS를 통해 긴밀히 연결되고, BMS는 센서를 통해 수집된 정보를 기반으로 자가 복원을 실행한다  

즉 배터리 2030+의 최종 목표는 6가지 연구 영역의 협력 개발을 통해 새로운 재료를 발굴하고 그 인터페이스의 반응을 정확히 연구하여 생산과 재활용이 용이한 초고성능의 배터리를 개발하고, 센싱 및 자가 복원 기능을 접목하여 초고성능 배터리의 기능이 지속 가능하도록 하는 것이다.