내년에는 국내에서 화재 위험이 없고, 수명이 7배 길고, 충전 시간이 열 배 빠른 ‘꿈의 배터리'가 생산된다. 음극재에 흑연이 아닌 리튬티탄산화물(LTO)를 사용하는 이차전지가 그것이다. 이차 전지 스타트업 그리너지가 2023년 9월 11일, 경기도 여주에 생산 공장 건설을 개시했다. 앞으로 건축 및 설비 과정을 거쳐 2024년 11월부터 본격적으로 양산할 예정이다. LTO를 적용한 배터리는 기존 리튬이온 배터리의 가장 큰 문제로 지적되어 온 화재 안전성이 높다는 것이 특징이다. 그리너지의 LTO 배터리에 대해 살펴본다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

영하 30도에서도 충·방전이 가능하고 400도 이하의 온도에서는 화재가 발생하지 않는다. 출력성능은 10C(Capacity)으로 일반 이차전지(3C) 대비 3배 이상 높다. 충전 시간도 10배 빠르고 배터리 수명은 7배가 길다. 리튬이온 배터리의 충·방전 사이클이 1,000~2,000회에 비해 7배인 7,000~1만 회까지 가능하다.  배터리 셀은 파우치형으로 설계 자유도가 높다는 것도 장점이다.

그리너지가 생산할 포테레라고 명명된 리튬티탄산화물, 즉 LTO 배터리에 관한 이야기이다. 다만 에너지 밀도는 흑연을 사용하는 리튬이온의 60~70% 수준으로 낮다. 또한 무겁기 때문에 사용 용도가 일반 리튬 이온 배터리와는 다르다. ESS와 선박, 버스, 중장비, 철도, 지하철, 항공기, 군용장비, 산업용 부품 등이 주력 시장이다. 요구되는 기능도 안전성과 급속충전, 긴 수명, 환경영향이 없어야 한다.

당장에는 배터리 전기차용으로 사용하는 것은 고려하지 않고 있다. 중량과 에너지 밀도 등의 한계 때문이다. 다만 하이브리드 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차에 사용했을 경우는 더 적은 용량의 배터리로 더 높은 출력을 발휘해 효율성을 높일 수 있다고 주장한다.  그럼에도 그리너지는 완성차 업계와 논의를 진행하고 있는 단계다.

일반적인 리튬이온 배터리는 180~200℃에서 배터리의 온도가 급속도로 오르는 이른바 ‘열 폭주’ 현상이 발생한다. 그에- 비해 그리너지의 LTO 포테레가 열 폭주를 시작하는 온도는 400℃ 이상이다. 또한 리튬이온 배터리는 외부 충격에 취약해 폭발 등 안전사고의 위험이 있지만 LTO 배터리는 화학적 특성상 발화 가능성이 ‘제로’에 가깝다는 것이 특징이다.

한편, 지난 4월 2023 오토 상하이에서는 중국 CATL은 현재 리튬 이온 배터리 설계의 충전 효율을 크게 향상할 수 있는 새로운 전해질 재료를 개발했다고 발표했다. 그때 발표된 개요는 새로운 전해질이 섭씨 영하 20도의 극한 추위에서 효율을 50%, 정상 온도에서는 43% 증가시킬 수 있다고 했다. 또한, 10분 충전으로 400km를 주행할 수 있는 배터리를 양산할 수 있다고 덧붙였다. CATL은 동일한 주행 범위에서 충전 시간을 5~7분으로 단축하는 것을 목표로 하고 있다고 덧붙였다. 전체적으로 그리너지의 LTO에 미치지 못하는 수치이다.

지금 일반적인 배터리 화학은 삼원계와 LFP로 나뉜다. 기본적으로 리튬을 근간으로 한 것은 같다. 여기에서 쟁점이 되는 것이 전고체 배터리다. 마찬가지로 리튬이 기본이다. 다만 전해질을 액체에서 고체로 바꾸고자 하는 것이다. 액체 전해질의 불안정성을 해소하기 위한 것이다.

그리고 그 전고체 배터리 넘어가기 전에 양극재와 음극재의 재질을 바꿔 화재 위험성을 낮추기 위한 노력이 다양하게 경주되고 있다. 현재의 이차전지의 단점을 극복하고 차세대 전지와의 교두보 역할을 할 수 있는 배터리가 필요하다는 것이다.

잘 알다시피 리튬 이온 배터리는 1998년 소니가 상용화했다. 하지만 소니는 대형 배터리의 가능성을 간과했다. 대신 LG화학과 삼성 SDI, SK, 그리고 일본의 파나소닉과 중국의 CATL, BYD 등이 이 부분에 대한 기술 개발을 추진해 왔다. 모두가 NCM 등 삼원계로 시작했으나 지금은 중국 업체들이 LFP에 큰 비중을 두면서 한국 업체들도 LFP 화학의 배터리를 개발하고 있다.

현 상황에서는 한국 업체들이 삼원계인 NCM 배터리의 강점을 부각하려 하고 있고 중국업체들은 LFP는 물론이고 LFMP의 새로운 배터리 화학의 시도는 물론이고 CATL의 응축 배터리, 셀투팩, 배터리 스왑 등 가능한 모든 방법을 강구하고 있다.

무엇보다 시선을 끄는 것은 전고체 배터리다. 이미 오래전부터 출시가 임박했다는 소식이 넘쳐났지만 아직은 온전히 구현되지는 않고 있다. 다만 CATL은 전고체 배터리에 대해서 대량 생산이 아직 어렵고, 비용 절감에 대한 근거가 없는 만큼 아직은 회의적으로 보는 등 의견이 갈린 상황이다.

다양한 포트폴리오 기반으로 전기차 시장도 노린다.

이런 상황에서 그리너지가 리튬티타네이트(LTO) 배터리 양산을 위해 공장을 건설하고 있다. 이는 LTO 시장의 성장 가능성을 염두에 둔 것이다. UMR어낼러시스는 LTO 배터리 시장은 2030년 기준 최소 14조 원에서 150조 원에 달할 것으로 예상했다. 이차전지 중 시장 점유율이 가장 높은 것으로 기존 납축 및 니켈 배터리 시장을 적극적으로 대체할 것으로 전망했다.

경쟁사로는 일본 도시바가 자동차와 선박, 철도, 산업기계, 비상 전원, 소형 전자기기용으로 사업을 확대 중이다. 도시바는 2030년까지 연 매출 5조 1,000억 원(2022년 2,500억원)으로 예상한다.

그리너지는 산업별 요구 조건에 따라 이차 전이 작용 타입이 다르기 때문에 안전성과 고출력, 수명 등 제품의 특장점을 활용해 사용 편의성 및 운용비용 절감이 필요한 산업군에 진출이 가능하다고 밝혔다. 대표적으로 ESS를 비롯해 선박과 철도, 지하철, 중장비, 대형트럭, 버스, 하이브리드 전기차 등을 포트폴리오로 삼고 있다.

크게는 전원용과 구동용, 저장용으로 나뉘며 기존 배터리의 대체는 물론이고 전동화로 전환 중인 산업과도 공동 개발에 나서고 있다. 이를 통해 연 500만 셀 이상 생산해 규모의 경제를 확보한다는 방침이다. 또한 가격 민감도가 높은 플러그인 하이브리드 전기차와 배터리 전기차, 퍼스널 모빌리티, 소형 전자기기 등으로의 진출도 추진 중이다.

국내 국방사업은 국방부 우수상용품 및 공군 부품 국산화사업을 진행 중이며 일반 차량으로 확대 전개도 추진하고 있다. 구동용으로는 케이스랩과 어드밴스드 로봇솔루션 등이 2022년 하반기부터 공급 중이다. 대전시 지하철 2호선에는 전선이 없는 소위 무가선 트램이 확정되어 올봄 예상 승인이 난 상태다. 항만용 자율주행 야드트랙터에 대해서도 해양수산부 주관 양산 연계형 과제 계약을 완료했다.

저장용 사업에서는 파워팩을 이미 양산 공급 중이다. ESS 전문회사와 건물 및 충전소용 ESS를 공동으로 개발하고 있다. 한국 조선해양과는 선박용 ESS를 공동 개발 중이다.

그리너지는 LTO 배터리와 LTO 기반 전고체 배터리 개발뿐 아니라 LFP  배터리도 개발하고 있다. 또한 유럽 에너지 국영기업과 LTO 물질 및 리사이클링 프로세스 개발을 위한 연구·개발 협력을 진행 중이며 유럽 내 배터리 순환 경제 구축을 위한 생산 합작사 및 전략적 투자 협의도 진행하고 있다.

그리너지는 2027년 3,000억 원의 매출을 목표로 설정하고 있다. 이는 연평균 181% 증가하는 것이다. 전동화솔루션과 라이센싱, 합작회사, 직영 운영 등을 포함한 것이다.

그리너지는 전기차 및 이차전지 엔지니어들이 모인 회사다. 방성용 대표는 애플 전기차 프로젝트 연구위원과 테슬라 모델S 수석 엔지니어, 현대자동차 UAM 디렉터 출신이다. 정병훈 부사장은 삼성전자 OMS 사업부에서 하드웨어 개발과 사업기획, 기술 기획을 담당했었다. 이 외에도 솔리드 에너지 시스템출신 조명동 박사, 벨로다인과 현대 모비스 자율주행 부문 출신인 황재호 부사장, 현대자동차와 LG전자 VC 사업부 전략기획, 르노 차량 설계 엔지니어 출신 전세환 실장 등으로 구성되어 있다.

그리너지는 기존 납축전지를 대체하고 환경 부담을 줄이는 12볼트짜리 LTO 축전지로 CES 2023에서 바나듐 이온 배터리를 개발한 스탠더드 에너지, 추운 날에도 작동하는 부동성 배터리 기술을 개발한 리베스트와 함께 혁신상을 받기도 했다. 지난 6월에는 2023 제9회 대한민국 리딩기업대상 시상식에서 2년 연속 친환경 이차전지 개발 부문 R&D혁신대상을 수상하기도 했다.

그리너지는 2024년 11월까지 1천억 원을 들여 여주시 점동면 일원 2만 7천㎡에 건축 연면적 9천㎡ 규모의 이차전지 신소재 설비시설을 건립한다. 공장 가동을 위한 전기는 800KW의 태양광 발전과 ESS를 통해 해결한다. 경기도는 여주지역을 이차전지 혁신생태계로 조성하겠다는 비전을 제시해 그리너지의 이번 투자 결정을 끌어냈다. 이날 축사를 통해 김동연 경기도지사는 여주지역을 K 배터리 클러스터로 육성할 수 있는 길도 모색하겠다고 밝혔다.

방성용 대표는 현재 전기차에 사용하는 리튬 배터리는 극저온에서 사용이 어렵고, 수명도 짧기 때문에 과연 다른 산업군에 사용해도 적합한지는 미지수라며 다양한 온도에서 사용이 가능할 뿐 아니라 안전성도 뛰어난 LTO 배터리는 다른 산업군에도 적용이 가능하다고 강조했다.