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EU, 노스볼트 앞세워 차세대 배터리 개발에 '전력'

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EU, 노스볼트 앞세워 차세대 배터리 개발에 '전력'

고체 전해질 사용 '전고체 배터리'로 승부수

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자료=글로벌이코노믹
기후변화 시대에 지구환경을 보호하기 위한 인류의 노력 가운데 하나는 배터리의 기술 개발로 연결된다.

배터리는 인류가 현재 사용하고 있는 각종 전자기기의 핵심 동력이다. 휴대 전화, 컴퓨터, 자동차 등 어디에나 사용되지만 성능과 경제적으로 이상적 기술은 아직 달성되지 않았다. 스위스 연구 이니셔티브는 유럽 주요 국가들과 협업을 통해서 향후 10년 안에 에너지 저장 분야에서 혁신을 만들기 위해 노력하고 있다.

세계경제포럼(WEF)은 최근 보고서에서 “배터리는 운송 및 에너지 부문 온실가스 배출량을 30% 줄이고 현재 전기가 없는 6억 명에게 전기를 공급하고 전 세계적으로 1000만 개의 안전하고 지속 가능한 일자리를 창출할 수 있다”고 밝혔다.

중국, 한국, 일본 등 아시아 3국은 배터리 생산의 90% 이상을 차지하며 배터리 시장을 지배하고 있다. 이에 유럽은 빠르게 독자적인 길을 만들려고 한다. 유럽 연합(EU)은 자동차 산업에 힘입어 유럽 대륙에서 배터리 셀을 생산하고 세계의 다른 지역에 대한 기술적 의존도를 피할 계획을 가지고 있다.

스위스 연방 재료 과학 기술 연구소(EMPA)는 스위스가 새로운 제3자 기술을 신속하게 채택하고 있으며 유럽 배터리 연구 프로젝트에 밀접하게 관여하고 있다.

4년 전 유럽연합은 연구 개발 성과를 늘리기 위해 ‘유럽 배터리 얼라이언스’를 출범했다. 이 이니셔티브는 유럽 영토에 40개의 ‘기가’ 규모의 배터리공장을 건설하는 것을 포함한다. 이 모든 것이 제대로 운영된다면 유럽 대륙은 2025년 전 세계 배터리 시장의 20%인 2500억 유로의 연간 가치를 통제할 수 있다.

첫 번째 기가 공장 중 하나는 노스볼트이며 스웨덴 북부에서 건설 중이다. 노스볼트는 매년 100만 대의 전기차에 충분한 배터리를 공급할 계획이다.

노스볼트 리튬 이온 배터리 공장은 70개의 축구장에 해당하는 50만평방미터 이상의 면적이다. 스위스에 기가 공장건설은 아직 계획되지 않았지만, 연구기관과 전문기업을 통해 산업의 발전과 밀접한 관련이 있다.

2020년에 4000만 유로의 ‘배터리 2030+ 유럽 연구 이니셔티브’가 시작되었다.

스위스를 포함한 9개 유럽 국가가 지원하는 7개 주요 연구 프로젝트가 포함되어 있다. 이 프로젝트 중 하나는 ‘HIDDEN’으로 일반 리튬 이온 배터리의 수명과 에너지 밀도를 50% 향상시키는 것을 목표로 한다.

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자료=글로벌이코노믹

리튬 이온 배터리는 수년 동안 에너지 저장의 지배적 형태였으며 향후 10년 동안 수요가 10배 증가할 것으로 예상된다. 가격은 지난 30년 동안 급락했지만, 기술분야는 크게 발전되지 않고 있다. 더 많은 에너지를 보유할 수 있는 대안이 요구되고 있다.

리튬 금속은 에너지 밀도가 높기 때문에 더 가볍고 효율적인 배터리를 만드는 데 사용할 수 있다. 그러나 수명이 짧다,

프로젝트는 이 문제를 해결하기 위해 배터리 내부 자체 수리 프로세스를 진행하고 있다. 첫 번째 개념 모델은 2023년에 나올 예정이다.

한편, 한 무리의 실무 그룹은 실리콘과 흑연 양극과 NMC(니켈, 망간, 코발트) 음극으로 ‘3b 세대’ 리튬 이온 배터리를 생산하는 것을 목표로 하는 유럽 연구 프로젝트인 ‘SENSE’를 조정하고 있다. 목표는 에너지 밀도를 높이고 희귀 금속을 적게 사용할 수 있도록 하고 충전 속도를 높이고 전기차의 범위를 개선하는 것이다.

코발트 양을 줄이고 니켈의 양을 늘리기 위해 연구 중이다. 코발트는 배터리에서 발견되는 가장 비싼 재료 중 하나다. 제조업체는 소싱이 어려울 수 있기 때문에 사용을 제한하려고 노력하고 있다. 전 세계 코발트의 약 70%는 열악한 근로여건 때문에 논란이 되고 있는 콩고민주공화국에서 생산되며 대부분의 정제는 중국이 맡고 있다.

이 프로젝트는 빠른 충전을 용이하게 하는 새로운 센서의 개발을 위해 노력하고 있다. 배터리 내부의 온도와 잠재력을 이해하고 더 빠르게 측정하여 빠른 충전을 촉진하려고 기술개발 중이다.

◇전고체 배터리 개발

리튬 이온 배터리의 인화성 액체 용액을 대체하기 위해 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리에 대해 업계의 관심이 높다. 더 효율적이고 안전하며 더 적은 원료를 사용할 수 있다. 프로토타입은 동일한 부피로 리튬 이온 배터리보다 80% 더 많은 에너지를 축적할 수 있음을 보여주고 있다.

이런 기술은 많은 장점을 제공할 수 있다. 그러나 지금은 실험실에 국한되어서 ‘잠재적’인 장점만 있다. 에너지 용량이 크고 수명이 높은 배터리를 개발하기는 사실 어렵다.

에너지 용량은 흑연을 리튬 금속으로 대체하여 증가할 수 있지만, 이런 배터리는 수명을 줄일 수 있다.

전고체 배터리는 개발이 되면 에너지 밀도와 수명 문제를 모두 해결할 수 있다. 스위스 연방 재료 과학 기술 연구소는 10년 내에 시장에 진입할 수 있는 ‘4세대’ 전고체 배터리 생산을 개발하는 것을 목표로 하는 ‘SOLIDIFY’ 프로젝트에 12개의 유럽 파트너와 협력하고 있다.

◇효율적인 고정 저장장치

재생 가능 에너지를 저장할 수 있는 고정 시스템도 향후 수십 년 동안 널리 확산될 수 있다. 리튬 이온 및 리튬 이온 NMC 배터리는 이미 가정에서 생산되는 풍력 및 태양 에너지를 저장하는 데 사용되고 있다.

과학자들은 아연, 바나듐 또는 나트륨, 고정 축적에 적합한 것으로 보이는 물질을 사용하는 대안을 모색하고 있다. 증가하는 수요를 충족하고 경쟁력을 갖추기 위해 효율적인 고정 저장장치가 개발되어야 한다.

스위스 연방 재료 과학 기술 연구소는 스위스 기업 FZONICK과 콴티스가 참여하는 ‘SOLSTICE’ 프로젝트의 일환으로 이 작업을 수행하려는 12개 파트너 중 하나이다. 목표는 고온에서 작동하고 에너지를 저장하는 데 사용할 수 있는 아연과 나트륨의 용융 소금 배터리를 개발하는 것이다.

배터리는 전기 자동차와 재생 에너지 저장량이 증가함에 따라 앞으로 몇 년 동안 점점 더 중요해질 것이다.

스위스는 유럽은 물론 전 세계 배터리 시장의 강자가 되기 위해 연구 개발을 유럽 연합 기업들과 협력을 통해 강화하고 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com