美 SES "현대차·GM과 리튬메탈 배터리 공동개발…4년 내 상용화"(종합)

제1회 배터리 월드 온라인 행사…107Ah 리튬메탈 배터리 공개

2023년 세계 최대 리튬메탈 제조시설 앞둔 '상하이 기가'도 선봬

제1회 SES 배터리월드 한국 행사에서 세계 최초 100+Ah 리튬메탈 배터리를 공개하는 CEO 치차오 후 박사ⓒSES

미국 배터리 개발사인 SES가 100Ah(암페어) 이상의 고성능 하이브리드 리튬메탈 배터리를 세계 최초로 공개했다.

현재 현대차그룹·GM 등과 전기차(EV)용 'A샘플' 리튬메탈 배터리 개발을 진행중으로, 2025년부터 상용화하겠다는 전략도 밝혔다.

SES는 4일 오전 제1회 ‘SES 배터리 월드’ 온라인 행사를 열고 107Ah의 용량을 갖춘 아폴로(Apollo)를 소개했다. 아폴로의 무게는 0.982kg이며, 에너지밀도는 417Wh(와트아워)/kg 및 935Wh/ℓ다.

SES 창업자이자 최고경영자(CEO)인 치차오 후 박사는 리튬메탈 배터리 개발 배경에 대해 "과거 전고체 배터리를 개발했지만 하이브리드 리튬메탈 배터리로 방향을 전환했다"면서 "하이브리드 방식이 전고체 보다 뛰어나다는 데이터가 매우 명백하고 강력했기 때문"이라고 설명했다.

그는 "전고체 분리막과 양극은 제조 과정이 굉장히 까다로워 다층셀 개발과 같은 아주 기본적인 것 조차 만들기 어렵다. 우리는 리튬메탈의 높은 에너지 밀도와 리튬이온의 높은 제조 가능성(양산성)이라는 장점만 가져오고자 했다. 이것이 바로 하이브리드 리튬메탈"이라고 말했다.

그러면서 완성차들이 요구하고 있는 안전성, 주행거리 확보, 비용절감, 퍼포먼스 등 네 가지 목표를 충족시키는 데 있어 리튬메탈이 가장 최적화된 기술이라고 강조했다.

손용규 SES 최고기술책임자(CTO)는 "하이브리드 리튬메탈은 리튬메탈 배터리의 한 종류"라며 "전고체, 하이브리드, 리퀴드 타입의 리튬메탈 배터리가 있으며 SES는 성능, 에너지 밀도, 안전성을 실질적으로 구현할수 있는 기술을 선택했다"고 설명했다.

후 CEO 는 배터리의 충전 과정에서 음극 표면에 쌓이는 나뭇가지 모양의 결정체인 덴드라이트(수지상 결정) 문제를 해결했다고 강조했다. 리튬 메탈 배터리는 에너지밀도는 높지만 충전 시 리튬이 음극 표면에 쌓여 배터리 성능 저하와 분리막 훼손까지 야기하는 일명 덴드라이트(Dendrite) 현상이 발생한다는 단점이 있다.

그는 "리튬메탈 배터리를 충전할 때 덴드라이트가 형성된다. 이런 이끼 같은 바늘 구조물이 분리막을 뚫어 양극에 닿으면 배터리 폭발이 일어날 수 있다"고 말했다.

이를 해결하기 위해 SES는 음극에 보호 코팅을 입히고 양극에는 새로운 액체 전해질인 고농도 염중용매를 사용했다. 여기에 사고를 사전에 예측하는 인공지능(AI) 기반의 안전 소프트웨어를 활용해 실시간으로 모니터링하는 시스템도 구축했다. 이 방식으로 덴드라이트 문제를 해결했다.

107Ah 리튬메탈 배터리 아폴로(Apollo™) 데이터ⓒSES

SES는 동시 진행 중인 개발 트랙 세 가지도 소개했다. ▲신소재 개발 플랫폼 헤르메스(Hermes) ▲엔지니어링 역량을 갖춘 차랑용 대형 배터리 셀 아폴로(Apollo) ▲배터리 상태를 모니터링하는 AI기반의 세이프티 소프트웨어 아바타(Avatar)다. 이 기술들이 리튬메탈 시스템 솔루션을 구현한다는 설명이다.

후 CEO는 "다양한 온도와 전력 밀도 상황에서 높은 에너지 밀도를 제공하는 것이 SES 리튬메탈 배터리의 핵심"이라고 강조했다.

이 리튬메탈 배터리는 섭씨 40도에서 영하 30도까지의 상황에서도고밀도 에너지를 달성할 수 있고 매우 느린 10시간 방전(C/10)부터 10분 이내의 고속 방전(7C)까지 가능하다. 또 단 12분 만에 리튬 메탈 배터리를 10%에서 90%까지 고속 충전할 수 있다.

후 CEO는 "관통, 과충전, 외부 단락, 온도 안전성까지 전부 외부기관 안전 테스트도 통과했다"면서 "동일한 양극으로 리튬이온만큼 안전하면서 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 지닌 리튬메탈 배터리를 제조할 수 있게 됐다"고 말했다.

SES는 리튬메탈 배터리 상용화를 위해 현대차그룹, GM 등과 협력을 강화하고 있다. 실제 차량에 사용될 수 있는 리튬메탈 배터리 A샘플 생산을 내년 말 목표로 진행중이며, B와 C 샘플은 2024년에 완료한 뒤 2025년부터 셀 상용화에 나서겠다는 계획이다.

앞서 SES는 GM, 현대차·기아와 EV용 'A샘플' 리튬메탈 배터리 개발을 위한 제휴개발계약(JDA)을 체결했다. 치차오 후는 "완성차와 리튬메탈 배터리 A샘플을 개발 중인 회사는 SES가 유일하다"고 강조했다.

이날 SES는 2023년 완공 예정인 SES 상하이 기가의 항공 사진도 공개했다. 자동차 도시인 중국 상하이 자딩구에 건설 중인 30만m²(약 8430평) 규모다. 전 세계에서 가장 큰 리튬메탈 배터리 생산시설로, 연간 1GWh(기가와트아워)의 리튬메탈 배터리 생산 능력을 갖추게 될 전망이다.

중국 상하이 자딩구에 위치한 SES 상하이 기가ⓒ SES

한편 2012년 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 시작한 미국 스타트업 SES는 국내에서 SK㈜, 현대자동차, 기아, LG테크놀로지벤처스 등으로부터 투자를 받았다.

SES 배터리 월드 한국 행사에 앞서 열린 미국 행사의 패널 세션에서 현대자동차 김창환 친환경에너지랩장은 "현대자동차는 고객에게 세계 최고 수준의 전기자동차(EV)를 제공하겠다는 약속을 한 바 있고, 그 일환으로 차세대 배터리 개발에서 선두를 달리는 SES의 리튬메탈 기술 개발을 지원할 것"이라며 "저비용, 장거리, 내구성을 위한 배터리 기술을 통해 고객에게 최고의 EV 경험과 가치를 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.

SK㈜ 김양택 첨단소재 투자센터장은 “SK㈜는 현재 전기차 배터리 소재 밸류체인 구축을 위해 첨단소재 투자를 강화하고 있으며, 차세대 배터리 개발에 가장 앞서 있는 SES의 상용화 일정에 맞춰 사업협력관계도 모색해 나갈 것”이라고 밝혔다.

SES는 지난 2021년 7월 아이반호 캐피털 애퀴지션(Ivanhoe Capital Acquisition)과의 기업결합을 통한 뉴욕증권거래소 상장 계획을 발표했으며, 거래가 완료되면 결합 기업은 종목 기호 'SES'로 뉴욕 증권거래소에 상장된다.