좌측부터 나오키 오타 CEO, 리차드 클레보스키 COO

덴드라이트는 리튬이온 배터리 화재의 가장 흔한 원인으로 여겨지며, 이 문제는 반고체, 고체 배터리에서도 자유롭지 않다. 배터리 내부 단락은 금속 오염이나 잘못된 정렬, 덴드라이트와 같은 문제로 발생할 수 있는데, 24M 테크놀로지스에 따르면, 그들의 Impervio 분리막 기술은 애초에 이런 문제를 전극 단위에서 감지하고 제어할 수 있다. 게다가 이 기술은 커다란 공정 조정, 비용 상승 없이 적용할 수 있다. 24M 테크놀로지스의 나오키 오타 CEO, 리차드 클레보스키 COO와 배터리 화재에 대응하는 법, 그들의 배터리 솔루션에 대한 이야기를 나눴다. 

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr  








이제 막 시작된 전기화의 길, 초기 기술이라고 위안할 수 있을지도 모르지만, e-바이크, e스쿠터, 하이브리드 카, 플러그인 하이브리드, 연료전지차, 전기차 등 리튬이온 배터리가 장착된 모든 것에서 화재가 발생할 수 있고, 이것은 안전에 대한 신뢰를 떨어뜨려 지속가능한 세상으로의 진보를 심각히 방해할 수 있다. 우리는 안전하지 않은 제품에 대해 실패하지 않길 바라며 문제를 숨겨온 것일까?  

국내외 주요 관련 업계, 관계자와 인천 화재 사고에 대한 이야기를 나누고, ‘덴드라이트(dendrite)’가 주원인일 수 있다는 이야기를 들어오던 여름의 끝자락, 때마침 방한한 24M 테크놀로지스의 나오키 오타(Naoki Ota) CEO, 리차드 클레보스키(Richard Chleboski) COO의 호출을 받았고, 그들은 ‘덴드라이트 없는, 리콜 없는, 안전하고 장거리 주행이 가능한 배터리’에 대한 이야기를 했다.  

“우리는 덴드라이트에 대한 24M의 Impervio 솔루션을 강조하고 싶습니다. 이것은 배터리의 내부 단락을 제어하는 데 중요한 역할을 합니다. 내부 단락은 금속 오염이나 잘못된 정렬 같은 문제로 발생할 수 있는데, Impervio 분리막은 이런 문제를 감지하고 제어할 수 있습니다. 모든 리튬이온 셀은 긴 사이클 끝에 결국 덴드라이트가 형성될 가능성이 높은데, 이렇게 자연적으로 발생하는 덴드라이트도 Impervio를 통해 예방할 수 있습니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 시스템 수준에서 작동하기 때문에 본질적으로 한계가 있지만, Impervio 분리막은 전극 레벨에서 덴드라이트 형성을 제어하고 잠재적인 단락을 감지합니다.”
나오키 오타 CEO가 말했다. 






화재의 원인    

24M에 따르면, Impervio는 화재와 사고를 방지하는 ‘방탄’ 보호를 제공하고, 이를 완벽히 차단하는 것을 보장한다. 

24M의 배터리 안전 대책의 첫 방어선은 셀의 중심부에 있는 작은 구성요소인 ‘분리막’이다. 분리막. 사람의 머리카락 두께만큼 얇은 플라스틱 시트는 안전한 작동과 급속한 화재 및 폭발 사이의 경계에 있다. 그리고 모든 위험은 음극에서 나온 덴드라이트란 나무뿌리 같은 돌기가 분리막을 뚫고 양극 쪽으로 침투하면서 시작된다. 이로 인해 내부 단락이 발생하고, 배터리가 마이크로초 내에 모든 에너지를 방출해 급격하고 폭발적인 화재를 일으킬 가능성이 커진다. 

클레보스키 COO는 “덴드라이트가 배터리 화재의 가장 흔한 원인이라고 생각합니다. 배터리 화재는 전 세계적인 현상으로, 한국에만 국한된 문제가 아닙니다. 인천 화재의 정확한 원인이 무엇인지는 모르지만, 이런 것은 종종 덴드라이트 형성이 문제일 수 있습니다. 우리는 약 10만 마일을 주행한 전기차의 배터리 팩을 분해했을 때, 분리막에 상당한 리튬 도금이 이뤄져 있는 것을 볼 수 있습니다. 이는 매우 위험합니다. 어떤 경우는 비록 실패로 이어지지는 않지만, 장기간 사용하거나 급속충전 시 화재가 발생할 수 있는 매우 위험한 상태입니다”라고 말했다. 

기존의 리튬이온 셀, 심지어 전고체 배터리에서도 덴드라이트의 주요 원인은 리튬과 철의 오염이다. 덴드라이트는 고체 전해질의 결정립 경계를 통해 여전히 성장할 수 있다. 덴드라이트는 배터리의 음극 쪽에 축적되고 궁극적으로 분리막을 관통하는 덴드라이트로 성장한다. 이런 오염은 제조 장비의 잔여물 또는 오염된 원자재에서 비롯되는 작은 입자에서 발생하기 때문에 배터리 제조 과정에서 완전히 제어하는 것이 매우 어렵다.

“사람들은 전고체가 문제에 대한 해결책이 될 수 있다고 생각합니다. 하지만 '네이처' 기사에 따르면, 덴드라이트는 전고체에서도 이동할 수 있으며 때로는 더 빨리 확산되기도 합니다. 충전 사이클을 거치는 동안 균열이 나타나는 것을 볼 수 있습니다.”   

24M의 Impervio는 분리막 주변에 이중 활성 보호구역을 둬 내부 단락을 방지할 뿐만 아니라, 사고 발생 가능성을 미리 알리는 기능을 갖고 있다. 첫 번째 기능은 덴드라이트가 분리막에 접근할 때 이를 물리적으로 막는 것이고, 두 번째 기능은 단락이 발생할 가능성이 있을 때 이를 BMS가 경고해 해당 셀을 이웃 셀과 분리하도록 한다.







덴트라이트부터 과충전까지  

과연 Impervio는 무엇이고 어떻게 작동할까. 
기본적으로 덴드라이트는 ‘전자’를 찾으려고 한다. 특정 형태의 전자를 제공하면 덴드라이트를 제어할 수 있고, 이것은 내부 단락과 연관된다. 즉, Impervio는 전자 신호를 이용해 덴드라이트를 제어하고 감지할 수 있는 전도성 층이 있고 문제를 감지할 수 있다는 것이다. 전도성 층은 전류를 빼준다는 의미다.  

“우리의 Impervio 층은 기본 폴리에틸렌 분리막 위에 전기 전도성 층을 추가한 것입니다. 이는 세라믹 코팅과 유사하지만, 전기 전도성이 있는 점이 다릅니다.” 오타 CEO가 말했다.

24M은 Impervio의 기능을 입증하기 위해 두 개의 동일한 셀을 준비하고, 의도적으로 약 1%, 매우 높은 수준의 스테인리스 스틸로 오염시켰다. 이 오염 수준은 실제 생산에서 발생할 수 있는 가능성보다 훨씬 높은 수준이다. 그런 다음 두 셀에 대해 동일한 충전 사이클을 거쳤다. 
그 결과, Impervio 분리막이 없는 셀은 즉시, 또는 불과 한 사이클만에 실패했지만(화재), Impervio 분리막이 있는 셀은 500회 이상 사이클, 800회 이상 사이클에서도 여전히 잘 작동했다. Impervio 층이 덴드라이트로 인한 단락을 방지한다는 것을 보여줬다. 

또, 오염된 셀을 150번 충전 사이클을 거친 후 분리막을 평가한 것을 보여줬다. 기본적으로 Impervio 분리막은 철 또는 리튬 덴드라이트가 이동하는 것을 막는데, 음극 쪽에는 철이 분리막 자체에 도금되고 EDX 스캔을 통해서는 스테인리스 스틸 ‘스파이크’를 확인할 수 있는 반면, 양극 쪽에는 철 도금이 없고, 음극 쪽의 윤곽만 보일 뿐 아무런 침투가 발견되지 않았다. EDX 스캔 스파이크도 없었다. 이는 분리막이 손상되지 않았고 단락이 발생하지 않음을 보여 준다.









이뿐 아니라, 표준 테스트인 네일 침투 테스트(nail penetration test)에서도 탁월한 성능을 보여줬다. 셀 외부에서 뾰족한 물체가 들어오면 양극, 음극, 분리막, 전해질의 결합이 깨지면서 내부 단락 현상으로 발화가 일어날 수 있는데, Impervio 분리막이 적용된 배터리는 통상적인 테스트보다 훨씬 더 심각한 조건인 ‘32핀’ 네일 침투 테스트에서도 문제가 없었다. 

“우리는 Impervio가 없는 셀과 있는 셀, 각각을 대상으로 네일 침투 테스트를 진행했습니다. Impervio가 없는 전통적인 셀은 관통하면서 열 폭주와 급격히 화재가 발생했지만,  Impervio가 적용된 셀은 전압은 변하고 있지만 아무 일도 일어나지 않습니다.” 오타 CEO가 말했다. 
셀 수준에서든 팩 수준에서든 어떤 형태로든 단락은 발생하고, 셀 수준에서는 덴드라이트가 그 원인일 수 있지만, Impervio는 다른 종류의 내부 단락들도 감지할 수 있다. 예를 들어, 삼성의 리콜 사례처럼 정렬 불량 같은 문제, SONY의 사례처럼 금속 오염이 있을 때도 이를 감지하고 보호할 수 있다. 

“과충전이 발생해도 결국 내부 단락이 일어나게 되는데, 중요한 것은 어떤 이유로든 내부 단락이 발생하지 않도록 하는 것입니다. Impervio는 셀을 보호하고 감지하며, 실패를 방지하기 위한 조치를 취할 수 있습니다.” 

인천 화재 사고와 함께 현재 우리나라에서는 전기차 과충전에 대한 논의가 많다. 미국에서는 BMS가 제대로 갖춰지지 않은 e-바이크의 잘못된 충전 방식으로 과충전돼 화재가 발생한 사례가 다수 있지만, 잘 설계된 시스템에서 BMS는 단지 매크로 수준에서 과충전을 제한할 수 있다. 24M은 이와 관련 Impervio가 적용된 셀과 그렇지 않은 셀을 대상으로 권장 전압의 2배로 과충전해 테스트를 진행했다. 그 결과 Impervio가 있는 셀은 없는 셀과 달리 화재가 발생하지 않았다.  

“이것이 핵심입니다. 다시 말씀드리면, 24M은 리튬이온 배터리의 성능과 안전성을 모두 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고 있습니다. 특히 Impervio 분리막은 기본적으로 전극 수준에서 단락 차단 역할을 하도록 설계돼 있으며, 이것은 기존 셀이 문제를 제어하려고 시도하는 방식과 매우 다릅니다. 저희는 기술 라이센스 제공업체로, 전 세계 여러 기업에 기술을 라이센스하고 있습니다.” 클레보스키 COO가 말했다.  

오타 CEO는 “인천 화재 이전에 여러 전기차 리콜 사례가 있었습니다. 다행히 그로 인해 많은 인명 피해가 발생하지는 않았고, 한국 회사들이 아마도 중국 회사보다 더 많은 안전 통제를 하고 있겠지만 결국 이런 문제는 발생할 수 있습니다. 따라서 Impervio를 도입하는 것은 모든 사람에게 훌륭한 보호막이자 보험이 될 것입니다. 글로벌 EV 시장이 안전 문제로 다소 둔화됐지만, Impervio와 같은 기술을 도입하면 EV의 안전 우려를 해결할 수 있습니다”라고 덧붙였다.  





바로 적용하는 솔루션 

24M의 설명대로 Impervio가 EV를 위한 보호막이자 좋은 보험이라면, 이 기술은 언제쯤 실제 전기차에 적용돼 우리의 안전을 보장해줄까.   
Impervio 분리막 공정은 세라믹 코팅과 비슷한 기술이어서 매우 간단하며 큰 비용이 들지 않는다. 또, 이 분리막은 일반적인 원통형 셀, 각형 셀, LG나 SK와 같은 파우치 셀에 많은 생산 공정 변경 없이 쉽게 통합할 수 있다. 다만 BMS와 연결돼야 해 제품 설계에 약간의 수정이 필요할 수 있다. 

“더 정확히는 Impervio는 BMS와 연결할 필요도 없습니다. 다만 BMS와 연결하지 않으면 다른 이슈에 대한 감지, 실패 방지 조치를 취할 수 없습니다. 덴드라이트 문제를 막는 것은 쉽지만, 24M은 모든 이슈에 대한 보호를 위해 생산 공정에 Impervio와 이에 대한 BMS를 연결할 것을 권장합니다.” 오타 CEO가 말했다.  

클레보스키 COO는 “현재 분리막은 종종 세라믹 코팅이 적용돼 있습니다. 분리막 비용은 셀 비용의 약 5%에서 10%를 차지하는데, 저희 비용 구조는 세라믹 코팅된 분리막 비용과 거의 유사합니다. BMS와 통합할 경우엔 추가적인 소규모 비용이 발생할 수 있지만, 이 역시 매우 적은 비용입니다. 주목할 점은, 구현 시간 측면에서 분리막 생산 공정이나 BMS 재작성이 제약이 되지 않을 것이라는 것입니다. 가장 시간이 오래 걸리는 것은 분리막 사용자가 겪게 될 인증 과정입니다.” 

24M은 이미 분리막 생산 확대 작업을 진행하고 있다. 이들은 주요 글로벌 분리막 회사와 협력하고 있고, 소재 생산 확대를 빠르게 진행하고 있다. 

인증 과정은 회사에 따라 다르다. 초기 프로토타입, 생산 준비가 완료된 프로토타입을 만드는 데는 LG나 삼성 같은 대형 회사의 경우 6개월 이내에 할 수 있다. 이후 인증 과정은 고객에 따라 다른데, 예를 들어 주요 OEM은 인증 완료에 1~2년이 걸릴 수 있는 반면, 중국 자동차 회사들은 상대적으로 더 빠를 수 있다. 

“우리는 거의 동일한 부품을 사용하고 있어 셀 크기 같은 것들에 변경이 필요하지 않습니다. 예를 들어, 삼성의 경우도 동일한 셀 분리막을 통합할 수 있습니다. OEM이 단일 부품 변경만 고려한다면, 인증 과정은 통상 훨씬 빨라질 것이지만, 셀을 완전히 다른 것으로 한다고 본다면 훨씬 더 오래 걸릴 수 있습니다.” 클레보스키 COO가 말했다. 



반고체, 전고체도 안전하지 않다 

Impervio의 시작은 어디에서부터였을까? 
이는 반고체, 전고체 배터리에 대한 24M의 주요 이력과 함께한다. 24M은 2009년부터 반고체 및 전고체 배터리 개발을 시작했고, 10년이 지난 2019년 교세라와 함께 이 배터리를 상용화하고 기술을 확장하면서 중국의 자동차 회사들과도 배터리 적용을 논의했다.  

오타 CEO는 “중국의 Chery 자동차와 협력하면서 우수한 충돌 안전성에 대한 요구를 받았고 티어 1과 협력해 높은 충돌 안전성을 확보했지만, 내부 단락 문제는 완전히 해결하지 못했었습니다. 반고체 배터리에서도 동일한 문제가 발생했습니다. 그것이 2018년부터 이 분리막 기술을 개발한 이유입니다”라고 말했다.  

I고체 상태 전극이라도 덴드라이트를 막을 수는 없다. 24M은 초기에 폴리머화와 같은 여러 방법을 시도했지만, 내부 단락이 발생한 후엔 반응이 너무 빨라 사후 대응이 어렵기 때문에 아예 단락이 발생하지 않도록 하는 방법으로 접근 방식을 변경했다. 

“처음에는 분리막 품질을 높이기 위한 작업을 했었지만 방향을 바꿨고 지금의 Impervio 기술은 이미 매우 잘 알려진 분리막 회사와 협력해 품질을 확보하고 있습니다. 저희는 스타트업이기 때문에 활동에 제한이 있어 교세라를 비롯한 몇몇 파트너와 이 보호 기술에 관심 높은 여러 OEM과 협력하고 있습니다. 이번 인터뷰를 통해 비즈니스를 더욱 확장하고 싶습니다.” 
오타 CEO가 말했다. 







24M 플랫폼과 1,000마일 배터리       

‘만일 1,000마일(1,600 km)을 주행할 수 있는 배터리를 안전하고 저렴하게 생산할 수 있다면 어떨까? 주행거리 걱정 없이, 시간을 절약하고 비용을 절감하고 대규모 배터리 리콜을 피하고마음의 평화를 누릴 수 있다면 어떨까? 며칠 동안 집 전력을 안정적으로 공급해주는 배터리가 있다면, 만약 배터리를 간단히 열어 재활용할 수 있다면 어떨까?’

이것은 바로 24M 테크놀로지스의 기술 플랫폼과 21세기를 위한 배터리 생태계의 미래다. 오타 CEO는 이것을 ‘더 나은 설계, 더 나은 배터리, 더 나은 에너지의 미래’라고 요약한다. 
24M이 보는 전기화 전환의 제한 요소를 보면 배터리가 가장 큰 요소다. 이것인 전기차뿐만 아니라 ESS에서도 마찬가지다. 24M은 이에 대한 핵심 문제를 5가지로 나눈다. 

오타 CEO는 “이는 배터리와 관련된 안전성, 주행거리, 효율성, 비용 지속가능성의 문제입니다. 이것은 특히 저온에서 배터리가 어떻게 성능을 발휘하는가에 대한 것이고, 나머지는 비용과 지속가능성에 대한 것입니다. 우리는 이런 모든 문제를 해결하기 위한 기술을 개발했으며, 이에 대한 4가지 핵심 기술을 갖고 있습니다.”

24M 플랫폼이란 그들이 가진 4개 카테고리의 기술을 말한다.
첫째는 반고체 배터리에 대한 ‘SemiSolid’와 ‘LiForever’ 재활용 기술이다. 핵심은 전극을 보다 효율적으로 생산하는 방법으로, 공장을 짓기 위한 투자 비용과 운영 비용을 낮추면서 98% 재활용률을 제공한다. 기존 배터리는 바인더를 사용하기 때문에 재료를 재활용하기 매우 어렵지만, 24M 기술은 반고체 전극이 바인더를 사용하지 않기 때문에 매우 높은 효율로 재활용이 가능하다. 

둘째는 ‘Unit Cell’과 ‘ETOP(전극-팩)’라고 부르는 개별 전극 밀봉 기술이다. 이를 통해 전극에서 바로 완성된 팩으로 이동할 수 있다. 이는 약 80%의 패키징 효율을 가능하게 한다. 기존 셀은 전해질을 공유해야 해 셀을 만들어야 하고, 개별 전극을 밀봉하지 않기 때문에 셀을 만드는 과정에서 비용이 추가된다. 또, 패키징 효율 면에서 약 50% 정도로 제한되는 경향이 있다. 따라서 24M 기술은 기존 기술보다 패키징 효율이 약 40% 더 높다.

“반고체 배터리에 대한 전체 생산 시스템 제공이 현재 몇몇 신생 배터리사의 도전과제가 되고 장비회사들과의 협력에 어려움이 있기도 하지만, 교세라와 같은 회사는 이미 2019년에 양산을 시작했고, 캐파를 두 배 이상으로 확장하고 있습니다. 다만 교세라는 ESS 애플리케이션만 보고 있습니다. 저희는 이제 모빌리티 측면에서 Chery에서 스핀오프한 회사 Axxiva, 인도의 TVS 등과 함께하고 있습니다.”
클레보스키 COO가 말했다.

셋째는 Impervio 분리막 기술이고, 마지막 기술은 ‘Lithium Metal’이다. 리튬메탈 셀은 리튬이온 셀보다 먼저 발명됐지만, 안전성과 내구성 문제로 상업화되지 못했다. 하지만 24M은  이 리튬메탈을 위해 특별히 개발한 전해질과 Impervio 기술로 이들 문제를 해결할 수 있다고 믿는다. 그리고 이것이 ETOP 기술과 결합되면, 한번 충전으로 1,000마일(1,609 km) 주행이 가능한 배터리 팩이 가능해질 수 있다. 

클레보스키 COO는 “리튬메탈에 대해 한 가지 코멘트를 더 하고 싶습니다. 저희는 글로벌 컨설팅 기관인 롤랜드버거(Roland Berger)와 협력해 이 기술을 평가했습니다. 롤랜드버거는 리튬메탈의 성능이 지금까지 그들이 평가한 것 중 가장 뛰어난 배터리 기술이라고 했습니다”라고 말했다. 

오타 CEO는 “가장 중요한 것은 24M의 각 기술이 독립적인 비즈니스로 작동할 수도 있지만, 결합된 형태가 될 때 가장 탁월하다는 것입니다. 각 기술의 라이센스는 누구에게나 부여될 수 있습니다”라고 말했다.   


 

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