“65% 더 많은 에너지 저장한다” 실리콘 음극재 사용한 배터리 등장

소재 과학은 쉽지 않은 분야다. 특히 스마트 홈, 웨어러블, 모바일 기기에 전력을 공급하는 배터리, 더 구체적으로는 리튬이온 배터리 영역은 더 그렇다. 그런데도 리튬이온 배터리 제조업체 '이노빅스(Enovix)'의 신제품은 주목할만하다. '음극재의 성배'로 불리는 100% 실리콘 리튬이온 배터리로 CES에서 화제를 모았다. 이노빅스의 성과를 살펴보기에 앞서 현재 배터리 기술을 간단히 정리하자.
 

 

왜 실리콘인가

실리콘은 모든 배터리 제조업체가 사용하고 싶어 하는 소재다. 세미-컨덕턴스(semi-conductance) 같은 매우 유용한 특성을 갖고 있을 뿐만 아니라 환경 오염을 유발하지 않고, 매우 풍부하게 존재하며, 매우 저렴하기 때문이다. 실제로 실리콘은 지구상에서 산소 다음으로 풍부한 원소다. 또 지리적으로 어디에나 존재하기 때문에 희토류 원소 같은 물질과 달리, 특정 국가나 기업이 독점할 수 없다. 무엇보다 실리콘은 리튬이온을 많이 담을 수 있다. 이론적으로는 현재 리튬이온 배터리 음극재에 사용되는 흑연보다 약 10배 많은 리튬이온을 저장한다.
 

그렇다면 지금 당장 실리콘을 쓰지 않는 이유는 무엇일까? 아쉽게도 실리콘은 흑연보다 더 많은 리튬이온을 담을 수 있기 때문에 부피가 쉽게 팽창하는 문제가 있다. 이론적으로 실리콘 음극 리튬이온 배터리는 같은 크기의 흑연 음극 리튬이온 배터리에 비해 10배 많은 리튬이온을 저장할 수 있지만, 이를 위해 3~4배 부풀어 오르게 된다. 리튬이온을 빨아들이는 리튬 이온화 과정에서 발생하는 이 필연적인 문제는 전극의 균열과 성능 저하를 초래할 수 있으며, 이를 방치하면 시간이 지남에 따라 배터리 효율이 크게 떨어진다. 실리콘의 팽창 문제를 해결할 수 있는 기술 개발이 관건인 셈이다. 

에노빅스에 따르면 일반적인 젤리 롤 형태의 단일 셀 리튬이온 배터리 설계에서 실리콘 팽창을 억제하려면 휴대폰 크기 배터리 기준 1.7톤 정도의 구속력이 필요하다. 타이탄(Titan) 잠수정 내파 사고 상황, 즉 (외부가 아닌 내부 기준) 1만 피트 해저에서의 압력에 해당한다.
 

결과적으로 실리콘 배터리를 만들려면 실용적이고 시장성 있는 크기와 무게를 유지하면서, 배터리 구조에 약 2톤의 제약을 가하는 설계를 해야 하는 셈이다. 배터리가 무거울수록 배터리를 옮기는 것만으로도 저장된 에너지가 더 많이 낭비된다. 배터리의 에너지 밀도는 일반적으로 에너지를 얼마나 저장할 수 있느냐로 측정되므로, 만약 대규모 제약 구조로 무게가 크게 늘어난다면, 실리콘의 단위 무게당 용량이 흑연보다 10배 가량 높다는 장점이 거의 상쇄되므로 의미가 없게 된다.
 

에노빅스가 찾은 해법

에노빅스는 이 문제를 어떻게 풀었을까? 에노빅스는 여러 개의 미니 셀을 수평으로 쌓으면 같은 휴대폰 크기 배터리에 210파운드의 구속력만 필요하다고 설명했다. 또한 <그림 *>처럼 십자형으로 쌓으면 대부분 압력이 배터리의 큰 위쪽과 아래쪽 표면이 아닌 작은 끝으로 전달된다고 덧붙였다. 
 

이렇게 하면 강철 케이스의 상단과 하단을 다른 방식보다 훨씬 얇게 만들어 무게를 크게 줄일 수 있다. 단, 그렇다고 해도 에노빅스가 팽창 현상 자체를 없앤 것은 아니다. 배터리에 미치는 영향을 총 2%로 제한했을 뿐이다.
 

10배는 아니라고 해도 대단한 성과

에노빅스는 100% 실리콘 음극을 사용했을 때 배터리 용량이 노트북에서는 최대 43%, 휴대폰에서는 최대 65%까지 늘어난다고 주장한다. , 이론적으로 실리콘이 제공할 수 있는 1,000%는 아니라는 것이다. 더 작은 음극재를 사용하는 것 그리고 제약 구조의 무게 때문으로 추정된다. 그렇다고 해도 실리콘 음극 리튬이온 배터리가 전기 자동차에 적용하면(아직 전기차 배터리의 밀도 향상과 관련한 성과는 없다), 이론적으로는 약 482km 주행 거리가 804km로 늘어난다. 단, 주행 거리는 장거리 전기차를 구현하는 방법의 일부일 뿐이다. 가스 차량은 주행 거리가 비슷하게 짧지만, 가스탱크를 채우는 데 5~10분밖에 걸리지 않는다. 반면 전기차는 충전에 6~10시간이 걸린다.
 

아쉽게도 에노빅스는 충전 또는 방전 속도 개선과 관련해 어떤 정보도 공개하지 않았다. 또 최대 충전 횟수가 500회로, 흑연 음극 리튬이온 배터리의 800~1,000회보다 약간 적다고 설명했다. 이 기술이 다른 응용 분야에서 무게, 크기, 유용한 용량과 관련해 얼마나 기대에 부합할지는 더 검증이 필요하다. 에노빅스는 가격 관련 정보도 밝히지 않았다.

그러나 일부 한계가 있다고 해도 에노빅스 배터리의 강철 구조와 전반적인 설계는 고속 충전 중에 열을 더 빠르게 방출해 작동 중 과열 문제를 개선할 수 있다. 울퉁불퉁한 도로를 달리는 전기차에는 바로 적용하기 힘들겠지만, 노트북, 휴대폰, 보안 카메라, 스마트워치, 기타 기기에서 배터리 수명이 43~65% 늘어난다면 더할 나위 없이 환영할 만한 일이다. 더 긴 수명의 배터리는 모두가 기대하는 것이다.
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