5G를 맞이하는 배터리시장

5G를 맞이하는 배터리 시장

 

  2018년 2월 25일, 평창 동계올림픽이 17일간의 긴 여정을 마치고 성황리에 폐막식을 진행했다. 평창 동계올림픽에서는 세계 최초로 5G(5세대 이동통신) 서비스를 제공하며 각 나라의 주목을 한 눈에 받았다. 5G 서비스를 통한 자율주행버스를 상시 운영하고, 실시간 자막서비스를 지원하며, 음성AI 네트워크 관제 시스템을 통해 장애를 처리해 5G를 더욱 빨리 실감할 수 있었다. 5G가 도대체 뭐기에 세계가 이토록 열광하는 것일까?

[사진1. 평창서 선보인 5G기술]

출처 : 의회신문 

  5G 서비스는 최대 다운로드 속도 20Gbpa에 최저 다운로드 속도 100Mbps인 이동통신 기술을 말한다. 기존에 우리가 사용했던 4G 서비스는 이동 중 100Mbps, 정지 중 1Gbps 전송 속도를 제공하는데, 충분히 파격적이고 혁신적이었던 4세대 이동통신에 도달한지 무려 7여년 만에 5세대 이동통신에 도래했다.

  5G를 얘기하자면 4차 산업혁명 얘기가 빠질 수 없다. 세계는 이미 4차 산업혁명에 들어섰으며 4차 산업혁명과 맞물려 정보기술에 바탕을 둔 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 등 지능정보기술로 세계는 빠르게 변하고 있다. 기존 공장에서 컨베이어벨트를 통한 자동화와 최적화를 제공했다면, 이제는 각 공정을 통합하는 형태인 스마트 공장으로, ‘일’만 하는 것이 아닌, ‘계산’도 할 줄 아는 공장으로 변해야 한다. 뿐만 아니라 반응속도가 1초라도 늦을 경우 자칫 잘못하면 대형사고로 번질 수 있기 때문에 더 빠르고 정교한 빅데이터 처리 능력은 필수불가결이다. 산업 간 이토록 빠르게 융합할 수 있게 해주는 것이 바로 5G이며 5G와 함께 4차 산업기술들이 발전해나갈 전망이다.

[사진2. 삼성SDI 2018디트로이트 모터쇼 참가]

출처 : 아시아경제

  2018년 2월 미국에서 열린 세계 최고의 모터쇼인 ‘2018 디트로이트 모터쇼’에서 볼 수 있듯이 승차감, 안전과 같은 자동차의 순기능에서 나아가 ‘지능형’ 자동차가 주목받고 있다. 이에 맞춰 배터리 시장은 급속충전 기술, 배터리 경량화 기술, 용량 확대 등 다양한 방면의 연구와 개발이 이루어지고 있다. 삼성SDI는 20분 급속충전으로 최대 600km까지 주행할 수 있는 다양한 전기차용(EV, PHEV) 고에너지밀도 배터리 셀을 선보였다. 이와 더불어 원하는 용량만큼 모듈 수를 자유롭게 조절해 다양한 주행거리를 구현하는 ‘MFM팩(Multi-Functional Module팩, 다기능 배터리팩)’도 소개했다. 차지하는 자리를 최소화하기 위한 ‘Low Height셀’은 기존 셀 대비 높이를 최대 20% 이상 줄여 차량 내부공간을 확대했다. 또한 기존 18650 배터리보다 50% 향상 된 용량을 자랑하며 수명도 극대화 시킨 ‘21700배터리’-원형 배터리 셀 및 모듈을 선보였다. 삼성SDI에서는 ‘전고체 전지’와 ‘그래핀 볼’를 이용하여 충전 속도를 개선하고 용량을 확대할 수 있었다. 미래 배터리 시장에서 중요한 ‘전고체 전지’와 ‘그래핀 볼’은 무엇일까?

 

  그래핀은 연필심에 사용되는 흑연의 탄소들이 벌집모양 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 층으로 쌓여있는 구조, 즉 흑연을 벗겨낸 얇은 탄소 원자막을 말한다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기전도성이 좋고 반도체 소재로 사용하는 실리콘보다 140배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 뛰어난 열전도성을 갖는다. 한 마디로 그래핀은 물리적, 화학적 안정도가 높기 때문에 배터리, 디스플레이 등에 사용할 ‘꿈의 나노물질’이라고도 불린다.

 

[그림1. 그래핀 볼 배터리 원리]

출처 : 한화케미칼

[사진4. 그래핀 볼의 확대 이미지]

출처 : 경향비즈 

  ‘그래핀 볼’은 그래핀의 전자를 빠르게 이동시키는 성질을 이용하여 급속충전을 구현한다. 기존 고속충전기술을 사용한 배터리는 완충까지 1시간 정도 걸렸지만, 그래핀 볼 소재의 배터리는 12분 만에 완충할 수 있다. 그래핀 볼 배터리는 저렴한 실리카(SiO2)를 이용해 그래핀을 팝콘과 같이 3차원 입체 형태로 대량 합성하여 그래핀 볼을 만든 후, 리튬이온 전지의 양극 보호막과 음극 소재로써 그래핀 볼을 활용한다. 전자가 기존의 5배나 빠르게 이동하면 그만큼 배터리의 온도가 올라가 폭발의 위험이 있지는 않을지 의문점이 들 수도 있다. 그러나 그래핀 볼 배터리는 전기차용 배터리가 요구하는 온도기준(60℃)까지 안정성이 유지되어 안전하며 충전시간 단축은 물론 충전 용량도 늘어났다.

 

[사진3. 피스커 전기자동차-Emotion]

출처 : THE GEAR 

  실제로 테슬라에 도전장을 내민 피스커는 조만간 1회 완충에 640km를 주행하며 최고시속 257km를 자랑하는 9분 내에 완충 가능한 그래핀 배터리 탑재 전기자동차-Emotion을 선보이겠다고 밝혔다.

 

  다음으로 ‘전고체 전지’는 리튬이온전지를 이을 차세대 배터리로 주목받은 바 있다. 전고체 전지는 양극재와 음극재 사이의 전해질을 고채 상태로 이용한다. 전고체 전지는 기존 전지 혹은 기타 차세대 전지의 양극과 음극을 그대로 활용하면서 세라믹(황화물/산화물), 고분자, 복합재 등을 전해질로 이용하기 때문에 다양한 어플리케이션(초소형 전자기기~전기차)에 활용 가능하다. 기존 액체 전해질을 사용해온 리튬이온전지는 발화, 폭발 등의 위험성을 갖고 있지만 고채 전해질은 반응성이 낮아 그럴 위험이 낮다는 평가를 받고 있다. 또한 외부 충격에 의해 파손 되더라도 전해질 누액의 염려도 없으며, 고체 특성상 고온이나 고전압 환경에서도 안정적이어서 전지의 성능저하 문제를 개선시킬 수 있는 것이 장점이다.

  지난 2월 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 교수팀은 안정성을 극대화한 플렉시블 전고체 리튬이온전지를 개발했다. 유연성이 우수한 고채상태 유기 전해질을 이용하면서 100회 이상 반복적으로 굽혀도 정상적으로 작동한다고 밝혔다. 뿐만 아니라 지난 8일 카이스트 신소재공학과 육종민 교수로 이루어진 공동 연구팀은 수명이 긴 나트륨 기반 이온전지용 음극소재를 개발했다.

  이렇게 성능이 뛰어나고, 장점도 뚜렷하고 다양한 곳에 활용할 수 있을 것 같지만 상용화하지 못하는 이유가 있다. 고채 전해질은 액체 전해질에 비해 가격이 훨씬 높고 무게가 무거워 에너지 밀도가 떨어진다. 나트륨 이온전지는 전압이 낮아 낮은 에너지 밀도를 가진다. 더욱 많은 에너지를 요구하는 5G시대에 배터리의 경쟁력은 바로 에너지 밀도에 있을 것이다. 에너지 밀도는 단위면적 당 에너지양을 의미하는데, 같은 크기에서 누가 더 오랫동안 사용할 수 있는지를 뜻한다. 그렇기 때문에 5G시대를 맞이한 배터리시장은 에너지 밀도와 더불어 배터리 용량과 배터리 충전시간을 고려해줘야 하는 시점이다.

  ‘그래핀 볼’, ‘전고체 전지’, ‘플레시블 전고체 리튬이온전지’, ‘나트륨이온전지’등 리튬이온전지의 후계자 후보는 이미 많이 존재한다. 그러나 아직 리튬이온전지의 왕좌를 빼앗기에 해결할 과제가 많아 보인다. 빠른 속도로 일어나는 4차 산업혁명 가운데 이런 차세대 배터리 기술들은 더 높은 에너지 밀도를 향해, 더 빠른 충전 속도를 향해, 더 많은 배터리용량을 향해 점차 발전하여 전기차, ESS, IcT 네트워크 등 다양한 애플리케이션에 적용될 것이다. 지금도 그렇듯, 배터리는 사회와 떨어질 수 없음을 실감케 하는 5G시대가 우리를 맞이하고 있다. 그래핀 볼에 이용한 그래핀 소재, 나트륨기반이온전지용 음극소재, 플렉시블 전고체 전지에 이용한 고체유기전해질 기술들을 융합하고 개선시켜 배터리 시장의 한 획을 그을 수 있는 궁극적인 배터리는 과연 어떤 모습일까?

 

 

[참고문헌]

1. 경향비즈 :

http://biz.khan.co.kr/khan_art_view.html?artid=201801050600075&code=930100

2. 삼성 SDI뉴스 :

http://www.samsungsdi.co.kr/pr/sdi-news/1802.html?idx=1802 

3. 네이버 지식백과-그래핀 :

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1524204&cid=47341&categoryId=47341

4. 티스토리 블로그-프렌치 케찹

http://frechketchup.tistory.com/825

5. 시사저널e

http://www.sisajournal-e.com/biz/article/181140