국내 배터리 업체들이 배터리 화재 예방 기술을 고도화하는 데 열을 올리고 있다. 최근 잇따른 전기차 화재로 배터리 안전성이 화두로 떠오르면서다. 배터리 3사는 화재 발화 및 폭발 위험이 거의 없는 전고체 배터리 개발과 함께 열 폭주를 사전에 방지하는 기술 개발에 집중하고 있다. LG에너지솔루션은 전고체 배터리의 첫 양산 시점을 미루고 안전성을 갖춘 완성도 높은 제품을 개발하겠다는 전략을 택했다.
16일 업계에 따르면 국내 업체들의 주력인 NCM(니켈·코발트·망간) 삼원계 배터리는 니켈 비중이 높아 주행거리를 늘릴 수 있지만 안전성이 낮아질 수 있어 화재 등 안전성을 관리하는 것이 기술력의 주된 요소로 평가받는다. 전기차 화재는 배터리 결함, 외부 충격, 과충전 등 다양한 원인으로 발생한다. 특히 외부 충격이나 과충전 시에는 배터리 내부에서 양극과 음극이 접촉하는 단락(합선)이 발생해 강한 에너지를 낸다. 이때 배터리 내부 온도가 상승하고 그 열이 다른 배터리 셀·모듈·팩 등으로 옮겨가며 화재로 이어지게 된다.
국내 배터리 업체들은 배터리 제조 단계부터 결함을 제거하는데 기술력을 발휘한다. LG에너지솔루션은 셀 제조 과정에서 엑스레이 등을 통한 불량 검사를 자동화하는 등 공정별 전수 검사 체계를 구축했다. 삼성SDI는 배터리 설계 단계에서 시뮬레이션으로 제품 안전성을 검토한다. 배터리 수명 초기부터 마지막까지 상태 변화를 시뮬레이션해 위험 요소를 예측하고 공정을 거쳐 사전에 방지하는 것이다.
배터리 열 전이를 방지하는 기술은 안전성 강화에 있어서 핵심으로 꼽힌다. 전기차에 탑재한 수천 개의 셀 중 하나만 열 폭주 등을 일으켜도 다른 배터리까지 불이 번질 수 있는 만큼 이를 차단하는 것이 중요하다. LG에너지솔루션은 배터리 모듈에 방화 소재를 적용하고 발화하더라도 배터리 팩 밖으로 불이 빠져나오는 시간을 늦추는 소재로 팩을 생산한다. 올해 말 양산 예정인 차세대 원통형 배터리 46(지름 46㎜) 시리즈에는 내부 폭발 에너지를 셀 단위부터 외부로 배출하는 기술을 적용하기로 했다. ‘디렉셔널 벤팅’으로 불리는 이 기술은 배터리 내부의 폭발 에너지를 외부로 빠르게 배출해 셀의 저항을 줄임과 동시에 셀의 안전성을 높여준다. 열 폭주로 불리는 연쇄 발화를 방지해준다는 얘기다. LG에너지솔루션은 배터리관리시스템(BMS)을 통해 이상 징후를 파악하는 시스템도 구축하고 있다. BMS 기술은 실시간으로 정보를 수집·분석해 사용자에게 보다 정확한 진단 및 예측 정보를 제공한다.
삼성SDI는 각형 배터리 캔 위에 작은 뚜껑 형태의 가스 배출 장치인 벤트(VENT)를 적용했다. 평소에는 닫혀 있다가 내부에서 열이나 가스가 발생하면 이를 열어 배출하는 방식이다. 이와 함께 과충전 시 전류를 차단하는 과충전 방지 장치와 내부 단락이 생기거나 높은 전류가 흐를 때 회로를 끊는 단락 차단 장치를 탑재했다.
SK온은 양극과 음극 사이의 분리막을 지그재그로 쌓아 화재 위험을 낮춘 Z폴딩을 상용화했다. Z폴딩 기법은 셀 스트레스를 최소화하고 양극과 음극을 균일하게 적층해 화재를 유발할 수 있는 전극 간 접촉 가능성을 차단한다. 배터리 구성 요소의 정렬이 틀어질 수 있는 가능성을 방지해 안전성도 높여준다. SK온은 향후 셀과 셀 사이에 방호재를 삽입해 열 전이를 억제하는 S팩을 적용할 계획이다.
배터리 3사는 전고체 배터리도 지속적으로 개발하고 있다. 양산 시점이 가장 빠른 곳은 2027년을 목표로 하고 있는 삼성SDI다. 지난해부터 전고체 배터리 샘플을 만들어 고객사로부터 긍정적인 반응을 얻고 있다. 올해 하반기까지 전고체 배터리의 주요 생산 공법과 라인 투자 계획도 마무리한다.
LG에너지솔루션은 2026년으로 예정됐던 고분자계 전고체의 양산 대신 2030년까지 황화물계 전고체 배터리 양산에 집중하기로 했다. 전고체 배터리는 전해질 물성에 따라 산화물계·고분자계·황화물계로 나뉜다. 유기 고체 전해질인 폴리머를 사용한 고분자계 전고체는 리튬이온 전도도가 낮지만 개발이 상대적으로 쉽다는 장점이 있다.
업계 관계자는 “배터리 가격이 높게 형성될 수밖에 없는 현 상황에서는 전고체를 양산해도 시장에 활용되기 어렵다”며 “경쟁 업체와 속도전을 벌이기보다는 고품질의 전고체를 완성하는 데 집중하는 전략”이라고 말했다. 김동명 LG에너지솔루션 사장도 전고체 기술과 관련해 “시간이 걸려도 제대로 된 것을 내놓으려 한다”고 밝히기도 했다.
LG에너지솔루션은 황화물계 전고체를 중점으로 개발을 이어간다는 방침이다. 2030년 양산이 목표다. 무기 고체 전해질을 이용하는 황화물계 전고체는 리튬이온 전도도와 셀 성능이 논의되는 소재 중 가장 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그만큼 기술 장벽이 높아 고분자계와 비교해 개발에 더 오랜 시간이 소요된다. 현재 국내 배터리 3사가 중점적으로 개발하는 전고체도 모두 황화물계다. LG에너지솔루션 관계자는 “배터리 개발 로드맵에는 변동이 없으며 고분자 전고체의 양산 시점은 확정된 것이 없다”고 말했다.
후발 주자로 여겨지는 SK온은 2028년까지 고분자-산화물 복합계 전고체 배터리를 양산한다. 황화물계 전고체 배터리 양산은 2029년이 목표다.
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