소프트뱅크, 고중량 에너지밀도화 주력 … 2025년 수지박 양산

소프트뱅크(Softbank)가 차세대 배터리 개발을 위해 소재‧셀 생산기업들과 협력을 강화하고 있다.
소프트뱅크는 차세대 배터리 개발에서 고중량 에너지밀도화를 우선시하고 있으며 리튬금속음극 등 중량 에너지밀도가 kg당 400Wh 이상에 달하는 배터리 개발을 위해 협력기업, 연구기관 등과 공동 연구개발(R&D)을 적극화하고 있다.
2023년 3월에는 배터리 경량화에 영향을 미치는 차세대 수지박 샘플을 공개했으며 2025년 본격적인 공급을 위해 양산설비 건설을 준비하고 있는 것으로 알려졌다.
소프트뱅크는 기존 LiB(리튬이온전지)의 소재를 변경하는 방식으로 차세대 배터리를 완성할 수 있다는 판단 아래 음극을 흑연에서 리튬금속으로 바꾸면 중량 에너지밀도를 400Wh로, 동박을 차세대 수지박으로 변경하면 중량 에너지밀도를 500Wh로 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
또 음극 뿐만 아니라 고체 전해질과 고전압 양극을 조합하면 600Wh, 유기 양극과 차세대 알루미늄 수지박 조합을 통해서는 800Wh까지도 달성 가능할 것으로 판단하고 있다.
리튬금속음극은 이론상 음극 중 가장 큰 에너지용량을 갖추었고 중량 에너지밀도가 매우 높으나 사이클 수명은 흑연보다 짧은 것이 단점이다.
소프트뱅크는 리튬금속 표면처리를 통해 배터리 성능 열화나 내부 쇼트(단락) 원인으로 작용하는 리튬 덴드라이트(수지상 결정)를 억제한다면 장수명화를 실현할 수 있을 것으로 판단하고 히타치조선(Hitachi Zosen)과 공동 연구를 진행하고 있다.
현재 적층 파우치 셀로 평가체제를 구축해 100나노미터 정도 표면처리층을 형성함으로써 표면처리를 거치면 용량 기복이 줄어든다는 결과를 얻은 것으로 알려졌다. 다만, 알루미나(Alumina)로 표면처리하면 열화를 개선할 수 없어 다른 소재로 전환하고 표면처리 기술을 확립하는 과정이 필요한 것으로 파악되고 있다.
집전체 체적 일부를 수지로 치환해 경량화한 차세대 집전체도 개발하고 있다.
차세대 수지박과 관련된 아이디어는 오래 전부터 존재했으나 적층방식으로 제조해 도전패스가 충분하지 못했기 때문에 기존 용접방법으로 용접하지 못해 실용화까지 이어지지 못했다.
소프트뱅크는 수지박 생산기업 뿐만 아니라 용접기업 등 관련기업들과 연계하면서 용접방법을 개선했고 수지박 다층용접법을 확립했다. 16적층-3.5Ah 파우치 셀로 검증한 결과 용접방법 최적화로 높은 저항 등 기존 과제를 해결할 수 있다는 것을 확인했다.
소프트뱅크는 2022년부터 KISCO와 수지박을 공동으로 개발해 2023년 3월 차세대 수지박 샘플 공급을 시작했으며 수요기업 피드백을 거쳐 2025년경 양산화할 예정이다.
양극활물질 고용량화, 희소금속 프리 작업도 진행하고 있다.
소프트뱅크는 가벼운 원소로 구성된 양극으로 변경하는 방법을 검토하고 있으며 귀금속 프리를 실현한다면 코스트 저감은 물론 서플라이체인 안정화 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
기존 LiB 양극에 비해 용량이 3배 많은 PTO(Phenazinetetrone) 합성을 위해 산요케미칼(Sanyo Chemical), PTO 전극 상업화를 위해서는 ORLIB와 공동으로 연구를 진행하고 있으며 전해액에 용해 혹은 합성시킬 때 부반응에 따른 수율 저하 문제 해결에 주력하고 있다.
유기 양극의 잠재력을 확인하기 위해 ORLIB, 스미토모고무(Sumitomo Rubber)와 실시한 연구에서는 중량 에너지밀도 535.8Wh, 유기전지에서도 500Wh 이상이 가능하다는 것을 확인했다.
또 게이오(Keio)대학과 공동 연구에서 기계학습을 활용해 중량 에너지밀도 예측 모델을 제작했다.
화학분자 데이터베이스 PubChem의 분자를 입력해 자동으로 고용량 분자를 발견하는 소재 탐색 연구를 진행하고 있으며, 1만개 이상의 소재 구조식을 주입한 결과 PTO보다 성능이 우수한 분자를 발견하고 조달 후 용량 실증을 진행할 계획이다. (K)