SES, 107Ah 리튬메탈 배터리 Apollo

미국 전기차(EV) 배터리 개발업체인 SES가 4일 ‘제1회 SES 배터리 월드’ 온라인 행사를 열고 세계 최초 107Ah(암페어 아워) 초대형 리튬메탈 배터리 ‘Apollo’(아폴로)를 공개했다. 또 2023년 완공을 목표로 현재 건설 중인 상하이 기가 공장이 완공되면, 이 곳에서 연간 1GWh의 리튬메탈 배터리가 생산될 것이라고 밝혔다. SES(ses.ai)는 2012년 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 시작한 스타트업으로 현재 보스턴, 상하이, 서울, 싱가포르에서 활동하고 있는 전기차용 고성능 하이브리드 리튬메탈 배터리 개발업체다. SES는 현대차, 기아, SK, LG테크놀로지벤처스로부터 투자 받았으며, 지난 5월에는 현대차 및 기아차와 EV용 'A샘플' 리튬메탈 배터리 제휴개발계약(JDA)을 체결했다. SES의 창업자이자 최고경영자(CEO)인 치차오 후(Qichao Hu) 박사가 'SES 배터리 월드'에서 발표한 내용을 요약해서 전한다. 

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자동차 업계는 한 세기 만에 최대 변혁기를 겪고 있습니다. 자동차는 가솔린에서 지속 가능한 청정에너지를 사용하는 전기차(EV)로 전환되고 있습니다.
배터리 기술은 대규모 전동화의 핵심입니다. 역사적으로 배터리의 에너지 밀도는 30~40년마다 약 2배씩 높아졌습니다. 배터리 기술도 마치 '무어의 법칙'처럼 납산(Lead Acid), 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈수소(NiMH), 리튬이온 흑연, 실리콘 등이 그래왔고, 이제는 리튬메탈(Li-Metal)이 그 다음 주자입니다. 




왜 리튬메탈일까요?
리튬은 자연에서 찾을 수 있는 가장 가벼운 금속으로 주기율표에서 원자번호 3번입니다. 리튬은 전기차 배터리, 특히 전기차의 휴대용 에너지원으로서 가장 완벽한 물질입니다. 

일반적인 파우치형 배터리는 양극, 음극, 분리막이 보통 30~40장씩 쌓여 있습니다. 일반적인 리튬이온 배터리의 경우, 음극은 주로 흑연 또는 실리콘의 한 종류이며 양극은 하이니켈인 NCM(니켈·코발트·망간), NCMA(니켈·코발트·망간·알루미늄) 또는 인산철(FePo₄)입니다. 그리고 폴리머 분리막이 있습니다. 전지 전체는 유동적인 가연성 액체 전해질로 가득 채워져 있어, 그리 안전하지 않으며 에너지 밀도가 낮습니다. 하지만 리튬이온 배터리는 뛰어난 제조가능성(양산성)이라는 장점이 있습니다. 실제로 오늘날 전 세계적으로 시간 당 수백 기가와트(GWh)의 리튬이온 배터리가 생산되고 있습니다.
 
전고체 리튬메탈 배터리는 흑연 음극을 리튬메탈 음극으로 교체해 에너지 밀도가 확실히 더 높지만, 전고체 분리막과 양극은 제조 공정이 매우 까다로워 다층 셀 개발과 같은 아주 기본적인 것조차 만들어내기 어렵습니다. 

이에, SES는 리튬이온 배터리와 전고체 리튬메탈 배터리의 장점 만을 취하고자 했습니다. 바로 리튬메탈의 높은 에너지 밀도와 리튬이온의 높은 제조가능성입니다. 이것이 SES 하이브리드 리튬메탈입니다.


 
리튬메탈은 왜 제조가 까다로울까요?
리튬메탈 배터리는 충전할 때 덴드라이트(Dendrite·수지상결정)이 형성됩니다. 마치 이끼 같은 이 바늘 구조물이 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 배터리 폭발이 일어날 수 있습니다. 

1980년대 이래로 배터리 산업은 4세대 리튬메탈 기술을 거졌습니다. 초기에는 굉장히 위험하고 가연성이 높은 액체 전해질이 있었습니다. 1990년대 중반부터 산화물, 황화물, 폴리머와 같은 전고체 소재가 인기를 얻게 됩니다. 하지만 전고체는 저조한 성능과 제조 용이성 문제로 어려움을 겪고 있습니다. 지금도 마찬가지입니다. 그리고 2015년경 새로운 액체 전해질이 부상했습니다. 고농도 염중용매(Solvent-in-salt)가 그것인데, 과거 액체 전해질보다 훨씬 안전하고 안정적입니다. 가장 최근에는 배터리 상태를 모니터링하고 안전을 예측하기 위해 인공지능(AI) 소프트웨어를 적용하기 시작했습니다.

그러나 각각 단독으로는 덴드라이트 이슈를 해결할 수 없으므로, 총체적이고 체계적인 접근이 필요합니다. 그것이 바로 SES가 하고 있는 일입니다. 

우리는 1단계 전고체에서 음극에 보호 코팅제를 입힙니다. 그리고 양극에는 새로운 액체 전해질인 고농도 염중용매를 사용합니다. 그것이 2단계입니다. 새로운 액체 전해질은 이전 전해질보다 훨씬 안전합니다. 이 전해질은 실제로 자소성(自消性)을 띕니다.
마지막으로, 배터리 전체는 일어날 수 있는 사고를 사전에 예측하는 AI 기반의 안전 소프트웨어를 통해 모니터링됩니다.
이 세 가지 단계를 함께 적용하면 덴드라이트가 성장하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있습니다. 덴드라이트는 더 이상 이끼 같은 바늘 모양이 아닌 훨씬 매끄러우며 밀도도 높아집니다. 즉 배터리 수명이 더 길어지고 안전해진다는 뜻입니다.




SES는 이러한 여러 가지 기술을 적용하기 위해 세 가지 개발 트랙을 동시에 밟았습니다. 바로 신소재 개발 플랫폼인 'Hermes', 차량용 대형 전지를 위한 엔지니어링 역량인 'Apollo', 그리고 배터리 상태를 모니터링하는 AI 기반 세이프티 소프트웨어인 'Avatar'입니다.


 

우선, Hermes는 아이폰 배터리 만한 소형 전지입니다. 이 배터리를 소재 발견, 개발 및 테스트에 이용합니다. Hermes는 에너지 밀도(Y축), 전력밀도 C-rate (X축), 그리고 다양한 온도까지 매우 흥미로운 데이터를 보여줍니다. 이 데이터가 바로 하이브리드 리튬메탈을 추구하는 이유이자 전고체 개발을 중단한 이유입니다.
또한, GM이나 현대차와 같은 주요 자동차 회사가 SES와 함께 실제로 자동차 A-샘플을 개발하고 있는 이유이자, 다양한 온도와 전력밀도 상황에서 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있는 우리의 능력입니다.



다양한 온도와 전력밀도 상황에서 전례 없는 에너지 밀도를 제공하는 SES의 능력은 자동차 회사에게 매우 중요합니다. 왜냐하면 자동차는 고온과 저온 조건에서도 운행돼야 하고, 운전자는 고속과 저속 주행이 가능해야 하기 때문입니다. SES 배터리는 +40℃에서 –30℃까지의 상황에서도 고밀도 에너지를 달성할 수 있고, 매우 느린 10시간 방전(C/10)부터 10분 이내의 고속 방전(7C)까지 가능합니다.
모든 데이터는 제3자 기관의 테스트를 거친 결과이며, SES가 하이브리드 리튬메탈 모델을 추구하는 근거입니다. 이 데이터는 전고체에서 하이브리드로 전환한 것이 올바른 결정이었음을 입증합니다. 

고속 충전 또한 가능합니다. 모두가 리튬메탈 배터리는 고속 충전이 불가능하다고 생각하지만, 10%에서 90%까지 단 12분만에 고속 충전도 가능합니다. 


 

안전성과 관련하여, 리튬메탈이 위험하다는 업계의 인식이 있습니다. 예전엔 그랬지만, 우리는 이를 향상시켜 가장 엄격한 안전 테스트를 통과했습니다. 관통, 과충전, 외부 단락, 온도 안정성까지 모두 외부 기관의 테스트를 거쳤습니다. 동일한 양극으로 리튬이온만큼 안전하면서도 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 지닌 리튬메탈을 만들 수 있습니다.




여기서 한 발 더 나아가, 우리는 Hermes를 실제 주행 테스트에 투입했습니다. 실제로 승용차에 전력을 공급하기 위해서는 Hermes보다 훨씬 큰 배터리가 필요합니다. 그것이 바로 차량용 대형 전지인 Apollo입니다. Apollo는 세계에서 가장 큰 세계 최초의 107Ah 리튬메탈 배터리입니다. 무게는 1kg 미만(0.982kg)으로, 아주 가볍습니다. 에너지 밀도는 417Wh/kg, 935 Wh/L입니다. SES가 선보이는 리튬메탈 배터리의 에너지 밀도 중 가장 높습니다. 또한, C/10, C/3, 1C 측정 결과 에너지 밀도는 놀라울 정도로 일정합니다. 


 

Apollo는 더미 배터리가 아닌 실제로 작동하는 배터리입니다. 우리는 Apollo를 실제 차량에 장착하기 위해 여러 자동차 회사와 협력할 것입니다.
Apollo는 Hermes보다 25배 이상 큽니다. 모두 하이브리드 리튬메탈 배터리이지만 Apollo는 실제 차량에 사용될 예정입니다. 

Apollo의 장점은 놀라운 에너지 밀도와 성능을 제공함과 동시에 리튬이온과 비슷한, 완성도가 매우 높은 제조 공정을 통해 생산 가능하다는 것입니다. 



SES는 안전을 최우선에 두고 있습니다. 그러나 그 어떤 배터리도 100% 안전하지 않습니다. 사실 에너지 밀도가 높을수록 안전성을 유지하기가 더 어렵습니다. 위험은 늘 있고, 이를 어떻게 줄일 것인가가 관건입니다.
여기서 Avatar 소프트웨어가 필요합니다. 우리는 하드웨어 회사이면서 동시에 소프트웨어 회사입니다. 실제로 SES에는 소프트웨어 엔지니어와 데이터 사이언스 엔지니어들이 있습니다. 이들이 모든 컴포넌트와 소재 품질 관리부터 제조, 성형, 실제 충/방전, 수명 종료에서 재활용까지 모든 단계별 데이터를 수집합니다. 모든 과정에서 데이터를 수집하고 24시간 모니터링합니다. 이 데이터를 활용해 디지털 트윈 Avatar를 개발했으며, 이는 배터리의 상태를 24시간 모니터링하고 사고가 발생하기 전 예측할 수 있도록 합니다. 
일반적인 데이터로만 모니터링하면, 사고가 발생하기 직전까지 배터리가 멀쩡해 보입니다. 그러나 AI 소프트웨어 Avatar를 활용하면, 뭔가 잘못됐다는 것을 예측할 수 있습니다. 이슈를 미리 감지하고 경고 신호를 보내기 때문에, 유지 측면에서 안전 관리가 가능하도록 합니다.

 

우리는 2012년 초소형 코인 셀에서 시작해 3레이어의 셀을 거쳐 아이폰 배터리만한 30레이어 이상의 셀을 만들었습니다. 그리고 이제 100+Ah 대형 셀인 Apollo에 도달했습니다.
GM 및 현대차와 협력해 실제 차량에 적용할 수 있는 A 샘플 생산을 2022년 말 목표로 하고 있으며 B와 C 샘플은 2024년, 그리고 2025년에는 상용화 셀 생산 착수를 계획하고 있습니다.



리튬메탈 업계에서 자동차 제조사와 함께 A 샘플을 개발 중인 회사는 SES가 유일합니다. 초기 A123 시절부터 보스턴의 R&D 시설, 그리고 오늘날 상하이의 파일럿 시설까지 SES의 생산 시설도 발전해 왔습니다.
현재 상하이에 기가 설비를 구축하고 있습니다. 2023년 완공되면, 30만 제곱피트 면적에서 연간 1GWh의 리튬메탈 배터리가 생산될 것입니다. 리튬이온에 비하면 1GWh가 그리 큰 용량이 아닌 것처럼 느껴질 수 있지만, 리튬메탈 분야에서는 세계 최대 규모입니다.




현재 우리는 GM, 현대, 지리자동차그룹, 상하이자동차그룹, 폭스콘 등 5대 주요 자동차 제조사와 제휴하고 있습니다. GM 및 현대차와는 자동차용 A 샘플 개발 작업을 진행 중입니다. 또한 SK, 테마섹, LG, 티엔치리튬, 버텍스벤처스, 어플라이드 머티리얼즈 등의 기업들과 전략적 파트너십도 유지하고 있습니다. 그리고 전 세계 투자자들과 주주들의 지지를 받고 있습니다.




마지막으로, 우리는 하고 있는 것과 하지 않는 것이 있습니다. 
첫째, 우리는 더 이상 전고체 배터리 회사가 아닙니다. 예전엔 전고체였고 사명도 솔리드에너지시스템즈(SolidEnergy Systems)였지만, 이제는 전고체를 버렸습니다. 이유는 간단합니다. 결과가 좋지 않았기 때문입니다.
데이터는 하이브리드 리튬메탈이 훨씬 더 우수함을 명확히 보여줬습니다. 하이브리드 리튬메탈로 방향을 전환하지 않을 이유가 없었습니다. 우리는 고체 혹은 액체에 한정 짓지 않고 데이터에만 집중합니다. 실제 검증 가능한 데이터를 말합니다. 데이터는 리튬메탈에서 하이브리드 방식이 전고체보다 훨씬 더 뛰어나다는 매우 명백하고 강력한 증거입니다.  

둘째, 우리는 단일 기술 기업이 아닙니다. 일부 회사는 배터리의 특정 부분에 집중합니다. 하지만 배터리는 살아 숨쉬는 시스템이기에 체계적인 접근방식을 적용해야 합니다. 

배터리 업계는 노이즈가 많습니다. 세계는 또 하나의 배터리 회사 혹은 또 다른 획기적인 배터리를 원하지 않습니다. 세계는 배터리 발전 기술을 이끌어 실제 사용 가능한 배터리로 제조할 수 있는, 그 누군가를 원합니다. 실질적으로 완벽하게 작동하는 배터리를 원합니다. 그리고 이 배터리를 수백, 수천, 수백만 대의 차량에 탑재해 규모를 키우고, 새로운 기술뿐만 아니라 절대 표준으로 자리매김하고 있는 리튬이온과도 경쟁할 수 있기를 바랍니다. 동시에 기업이 망하지 않아야 합니다.

이 분야에서 앞으로 해야 할 일이 많은 동시에 기대되는 일 또한 많습니다. 

 

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Q&A
치차오 후(Qichao Hu) SES 창업자이자 최고경영자



Q1: 실제로 자동차에  몇 개의 Apollo가 탑재되나?
치차오 후 박사: 차 크기에 따라서 필요한 배터리 수가 정해질 것이다. 대형 트럭이나 대형 SUV라면 약 300개가 필요하다. 그러나 이보다 작은 세단의 경우는 100개에서 150개가 필요하다. 

Q2: 언제, 어떤 차량에 SES의 리튬메탈 배터리가 탑재될지 나와 있는 로드맵이 있나?
치차오 후 박사: GM, 현대 등 다양한 완성차 업체들과 파트너십을 맺고 있으며, 추후 또 다른 파트너 업체들이 발표될 것이다. 언제, 어떤 차량에 탑재될 것이지 구체적인 로드맵에 대해서는 공개할 수 없지만, 간략히 소개하면 2020년대 중반 쯤 실제 차량에 탑재될 수 있게끔 준비할 예정이다. 이에 맞춰 올해 완성차 업체들과 A 샘플 테스트를 하고 또 B 샘플 테스트 등을 거쳐 2020년대 중반 내에는 실제로 사용할 수 있도록 목표를 잡고 있다. 

Q3: 2025년 상용화를 목표로 한다고 했는데, 오늘 공개한 107Ah 리튬메탈 배터리를 시작으로 상용화까지 어떤 단계들이 남아 있나?
치차오 후 박사: 2025년 상용화를 위해서는 많은 절차를 거쳐야 한다. 당연히 A 샘플, B 샘플, C 샘플을 완성해야 합니다. 2025년 상용화 목표를 달성하기 위해서는 C 샘플은 2024년, B 샘플은 2023년까지 테스트되어야 한다. A 샘플의 경우는 내년까지 최적화를 달성해야 한다. 굉장히 촉박한 일정이지만 충분히 실행 가능하다고 생각한다. 

Q4: 상하이를 비롯해 주요 거점 운영은 어떻게 하고 있나?
치차오 후 박사: 우리는 보스턴, 상하이, 서울, 싱가포르에서 활동하고 있다. 보스턴에서는 기본 화학, 소재 화학, 소프트웨어 등을 다루고 있다. 상하이와 서울은 엔지니어링 제조 공정 및 공급망을 담당한다. 분명히 말할 수 있는 것은 상하이와 한국에 짓는 시설은 파일럿 시설이라는 것이다. 제조 공장이 아니다. 제조 공장은 완성차 업체가 있는 곳에 건설될 것이다. 예를 들어, 완성차 업체가 GM이라면 북미에, 현대차라면 아시아에, 독일 업체라면 유럽에 공장이 건설될 것이다. 각 지역의 강점을 충분히 고려하여 잘 어우러지게 하는 것이 중요하다고 생각한다. 

Q5: 왜 전고체가 아닌 리튬메탈인가?
치차오 후 박사: 보통 업계에서 전고체 배터리를 말할 때 90% 정도는 하이브리드에 대해서 이야기한다고 이해하면 된다. 아주 소수 기업만이 순수 전고체를 추진하고 있다.
우리의 목표는 전고체가 아닌 리튬메탈이다. 리튬메탈을 통해서 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 주행 범위도 늘릴 수 있다. 물론, 전고체 또는 액체 만으로 그 목표를 달성할 수 있다면 그것도 좋을 것이다. 하지만 완성차 업체들은 네 가지 모두 충족하기를 원한다. 즉 안전성, 주행거리 확보, 비용 절감, 그리고 성능이다. 이 네 가지를 달성하기 위해 무조건 전고체로 가야한다는 규칙은 없다. 하지만, 이러한 네 가지 요건을 충족하는 데 있어 리튬메탈이 가장 최적화된 방법이라고 생각한다. 그리고 우리가 중점을 두고 있는 것이 바로 데이터이다. 고체든 액체든 다 되면 좋겠지만, 궁극적으로는 데이터를 기반으로 어떤 선택이 자동차 업계의 목표에 부합하는지 판단해야 한다. [AEM]

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AEM_Automotive Electronics Magazine