[Tech 스토리] '화재 막아라'...K-배터리, 안정성 강화한 신공법 속속 등장

'꿈의 배터리' 전고체, 2030년 이후 상용화

'Z 스태킹' 공법으로 전기차 화재 위험 축소

연구개발 투자로 핵심 기술개발 선도해야

기업들의 신기술 개발은 지속 가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술의 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 예측해볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)한' 기술 이야기를 술술 풀어 독자들에게 전달합니다.

[서울=뉴스핌] 김아영 기자 = 지난해 8월 인천 청라의 한 아파트에서 발생한 전기차 화재 이후 시민들은 전기차 안전에 대한 불안감이 커지고 있습니다. 전기차 화재의 원인은 대부분 '배터리'에서 시작됩니다.

전기차에는 리튬이온배터리가 주로 탑재되는데 이 배터리는 수천개의 셀로 이뤄졌습니다. 분리막을 기점으로 양극재와 음극재가 나눠집니다. 하지만 이 분리막이 손상될 경우 화재가 발생해 급격한 온도 상승이 일어납니다. 뜨거운 열은 근처 다른 셀로 순식간에 전달돼 수 초 만에 배터리 온도가 1000도를 넘기도 합니다. 아직까지는 열폭주 현상을 막을 뾰족한 방법은 없는 상황이지만, K-배터리 기업은 어떻게 해서든지 화재 위험을 낮추기 위해 노력 중입니다.

◆ 전고체 상용화 2030년 이후 예상…'Z스태킹'으로 화재 예방

국내 배터리 관련 기업들은 전기차 화재를 막기 위한 기술 개발에 집중하고 있습니다.

'꿈의 배터리'로 불리는 전고체 배터리가 대표적입니다. 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 액체가 아닌 고체로 된 차세대 이차전지(충전해서 반영구적으로 사용하는 전지)입니다. 전해질이 고체이기 때문에 충격에 의한 누액 위험이 없고, 인화성 물질이 포함되지 않아 발화 가능성이 낮아 상대적으로 안전합니다.

현재 국내외에서 전고체 배터리 개발이 한창 진행 중이지만, 실제 적용은 2030년 이후가 될 것으로 예상됩니다.

이에 국내 배터리 기업들은 안정성을 강화한 새로운 공법 개발도 병행했습니다. 'Z스태킹 공법'입니다.

스태킹은 양극, 음극, 분리막 등 배터리 소재를 차례로 적층하는 공정입니다. 전극 정렬 문제 등에 따른 화재 발생 가능성이 높다는 것이 단점입니다. 하지만 Z스태킹은 분리막을 자르지 않고 알파벳 Z 형태로 분리막 안에 양극과 음극을 번갈아 적층합니다. 발화성물질인 전해액이 주입되더라도 양·음극이 직접 만나지 않아 분리막 밀림 현상을 최소화하고 화재 발생 가능성을 줄일 수 있는 핵심 기술로 평가받습니다.

◆ Z스태킹 제품 상용화 확대…신제품 개발 투자 확대돼야

국내 배터리 기업들은 Z 스태킹 공법을 적용한 배터리를 만들고 있습니다.

LG에너지솔루션은 파우치 셀 제조에 자체 특허 공법인 라미네이션&스태킹(L&S)을 적용했었습니다. L&S는 전극에 분리막을 붙여 쌓아 올리는 공법을 의미합니다. L&S 방식은 배터리 내부 공간을 효율화할 수 있으며 생산성이 높다는 장점이 있습니다. 하지만 분리막과 전극의 정렬이 어긋날 수 있고 이로 인한 화재 위험성도 있습니다.

이에 L&S 공법에 Z스태킹 방식을 더해 어드밴스드 Z-스태킹(AZS)을 개발했습니다. 해당 공법은 기존보다 빠른 속도로 배터리를 제조할 수 있으면서도 더 안전한 배터리를 만들 기술이라는 게 회사 측의 설명입니다.

LG에너지솔루션은 AZS 공법으로 생산가동률도 크게 올렸습니다. 통상적으로 평균 생산가동률은 70%를 넘기 어려운데, 현대차그룹과의 합작 공장(JV)인 HLI그린파워는 지난해 8월 가동률이 83% 수준으로 알려졌습니다. LG에너지솔루션은 현대자동차 등 국내외 완성차업계와 협력해 AZS 기반 배터리를 개발·공급하고 상용화에 속도를 낼 방침입니다.

SK온도 2019년 배터리 안전성을 높이기 위해 지그재그 형태의 분리막 사이로 양극과 음극을 교차 적층하는 Z폴딩 공법을 독자적으로 확보했습니다. SK온은 이 기술이 적용된 NCM9배터리로 미국 에디슨 어워즈 'EV 배터리 향상' 부문을 수상하기도 했습니다.

삼성SDI도 Z스태킹 공법을 배터리 제품에 적용하고 있습니다.

국내 배터리 기업들이 전기차 화재 예방을 위해 다양한 시도를 하고 있습니다. 신공법인 Z스태킹이 등장한 것도 연구개발 덕분입니다.

중국과 일본에서도 새로운 배터리 개발을 위해 막대한 자금을 투입하는 등 공격적인 행보를 보이고 있습니다. 국가 차원의 지원도 상당합니다.

결국 차세대 배터리 시장에서 경쟁 우위를 갖추기 위해선 안전과 성능 두 마리 토끼를 다 잡아야 할 것으로 보입니다. K-배터리가 해외 경쟁 기업보다 먼저 전기차 화재 위험을 낮추는 핵심 기술 개발에 성공할 수 있도록 연구개발 투자가 확대됐으면 합니다. 우리 정부도 배터리 연구개발에 대한 지원을 더욱 확대할 수 있을지 주목됩니다.

aykim@newspim.com