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전고체 배터리 전쟁 | 배터리 이야기 4화

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전고체 배터리 전쟁 | 배터리 이야기 4화 전고체 배터리 전쟁 삼성과 토요타는 왜 이 기술에 모든 것을 걸었을까 지금까지 우리는 배터리의 두 가지 문제를 확인했다. 리튬 배터리는 폭발 위험이 있다 전고체 배터리는 기술적으로 어렵다 그렇다면 이런 질문이 남는다. “그래도 누군가는 이 기술을 완성해야 하지 않을까?” 바로 그 경쟁이 이미 시작되어 있었다. 30년 전부터 시작된 연구 전고체 배터리 연구는 최근에 시작된 것이 아니다. 일본에서는 이미 1990년대부터 이 기술을 연구하고 있었다. 그 중심에 있는 기업이 있다. 토요타. 토요타는 하이브리드 자동차를 만들며 배터리 기술을 꾸준히 연구해 왔다. 그리고 그 다음 목표를 전고체 배터리로 설정했다. 토요타 전고체 배터리 목표 충전 시간 단축 주행 거리 증가 배터리 안전성 향상 토요타는 이 기술을 차세대 자동차의 핵심 기술 로 보고 있다. 한국도 가만히 있지 않았다 한국에서도 이 경쟁에 뛰어든 기업이 있다. 삼성. 특히 배터리 연구에서 삼성은 새로운 접근 방식을 선택했다. 바로 황화물 고체 전해질 . 이 물질은 이온 이동 속도가 매우 빠르다는 특징이 있다. 그래서 전고체 배터리의 가장 큰 문제였던 이온 이동 문제 를 해결할 가능성이 있다. 삼성 전고체 배터리 연구 방향 황화물 고체 전해질 에너지 밀도 향상 배터리 수명 증가 하지만 문제는 여전히 남아 있다 전고체 배터리는 분명 매력적인 기술이다. 하지만 현실은 여전히 어렵다. 대량 생산 기술 재료 비용 계면 안정성 문제 이 문제들이 해결되지 않으면 상용화는 쉽지 않다. 그래서 지금은 두 가지 길이 존재한다 현재 전기차 배터리 기술은 두 가지 방향으로 발전하고 있다. 기존 리튬 배터리를 발전시키는 ...
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테슬라 배터리 전략 | 배터리 이야기 3화

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테슬라 배터리 전략 | 배터리 이야기 3화 테슬라 배터리 전략 전고체 대신 다른 길을 선택한 이유 지금까지 우리는 두 가지 사실을 알게 되었다. 리튬 배터리는 폭발 위험이 있다 전고체 배터리는 아직 기술적으로 어렵다 그렇다면 전기차 기업들은 어떤 선택을 하고 있을까? 여기서 등장하는 기업이 있다. 전기차 혁명을 이끈 기업 Tesla . 많은 사람들이 이렇게 생각한다. “Tesla는 전고체 배터리를 개발하고 있을까?” 하지만 놀랍게도 Tesla의 선택은 전혀 달랐다. Tesla는 왜 전고체 배터리를 선택하지 않았을까 Tesla는 전고체 배터리를 완전히 부정하지는 않는다. 하지만 현실적인 판단을 했다. “상용화까지 너무 오래 걸린다.” 전기차 시장은 지금 폭발적으로 성장하고 있다. Tesla의 목표는 단순했다. 지금 당장 더 좋은 배터리를 만드는 것. 그래서 Tesla는 기존 리튬 배터리를 완전히 새롭게 설계하기 시작했다. 바로 4680 배터리 2020년 Tesla Battery Day에서 Tesla는 새로운 배터리를 공개했다. 바로 4680 배터리 . 숫자는 단순한 규격을 의미한다. 지름 46mm 높이 80mm 기존 배터리보다 훨씬 큰 원통형 셀이다. 그런데 단순히 크기만 커진 것은 아니다. 4680 배터리 핵심 변화 에너지 밀도 증가 열 관리 개선 생산 비용 감소 주행 거리 증가 핵심 기술 : 탭리스 구조 기존 원통형 배터리에는 전류를 모으는 작은 금속 연결부가 있다. 이것을 탭(Tab) 이라고 부른다. 문제는 이 탭이 열을 발생시키고 전류 흐름을 제한할 수 있다는 점이다. Tesla는 여기서 혁신적인 아이디어를 적용했다. 탭을 없애버린 것이다. 이를 탭리스(Tabless) 구조 라고 한다. 전류가...
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전고체 배터리는 왜 어려울까 | 배터리 이야기 2화

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전고체 배터리는 왜 어려울까 | 배터리 이야기 2화 전고체 배터리는 왜 어려울까 폭발하지 않는 배터리를 만들 수 있을까 1화에서 우리는 리튬 배터리가 왜 폭발하는지 살펴보았다. 문제의 핵심은 하나였다. 가연성 액체 전해질. 그렇다면 자연스럽게 이런 생각이 떠오른다. “액체 대신 고체를 쓰면 되지 않을까?” 바로 이 아이디어에서 등장한 기술이 전고체 배터리 다. 전고체 배터리는 무엇이 다를까 기존 리튬 이온 배터리는 이온이 이동할 수 있도록 액체 전해질을 사용한다. 하지만 전고체 배터리는 이름 그대로 고체 전해질 을 사용한다. 기존 배터리 → 액체 전해질 전고체 배터리 → 고체 전해질 이 변화 하나로 여러 가지 장점이 생긴다. 전고체 배터리의 장점 화재 위험 감소 에너지 밀도 증가 배터리 수명 증가 그래서 많은 기업들이 전고체 배터리를 차세대 배터리 기술이라고 부른다. 그런데 왜 아직 상용화되지 않았을까 문제는 의외로 단순하다. 이온이 움직이기 어렵다. 액체에서는 이온이 비교적 자유롭게 이동한다. 하지만 고체에서는 상황이 완전히 달라진다. 고체 내부에서는 원자 구조 사이를 통과해야 하기 때문에 이온 이동이 훨씬 느려진다. 이 때문에 배터리 성능이 크게 떨어질 수 있다. 또 다른 문제 : 계면 저항 배터리는 여러 층으로 이루어져 있다. 양극 고체 전해질 음극 이 층들이 만나는 경계면을 계면 이라고 부른다. 문제는 고체와 고체가 맞닿을 때 완벽하게 밀착되기가 어렵다는 점이다. 작은 틈이 생기면 이온 이동이 방해를 받는다. 이 현상을 과학에서는 계면 저항 이라고 부른다. 전고체 배터리의 핵심 난제 이온 이동 속도 문제 계면 저항 대량 생산 공정 그래서 아직 연구 중이다 전고체 배터리는 분명 매...
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리튬 배터리는 왜 폭발할까 | 배터리 이야기 1화

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리튬 배터리는 왜 폭발할까 | 배터리 이야기 1화 리튬 배터리는 왜 폭발할까 보이지 않는 곳에서 시작되는 작은 반응 어느 날 뉴스에서 이런 장면을 본 적이 있을 것이다. 주차장에 세워진 전기차에서 갑자기 연기가 올라온다. 몇 초 뒤 불꽃이 터져 나온다. 뉴스 앵커는 이렇게 말한다. “배터리 열폭주로 추정됩니다.” 하지만 여기서 대부분의 사람들은 같은 질문을 한다. 배터리는 도대체 왜 폭발하는 걸까? 배터리 안에서는 무슨 일이 일어날까 리튬 이온 배터리는 기본적으로 세 가지 구조로 이루어져 있다. 양극 (Cathode) 음극 (Anode) 전해질 (Electrolyte) 충전과 방전이 이루어질 때 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동 한다. 이 이온 이동이 바로 우리가 사용하는 전기의 근원이다. 핵심 원리 배터리는 리튬 이온이 이동하면서 전자를 외부 회로로 보내고 그 전자가 전기를 만든다. 문제는 전해질이다 리튬 배터리 내부에는 이온이 이동할 수 있도록 액체 전해질 이 들어 있다. 이 전해질은 대부분 유기 용매로 만들어져 있는데 사실 한 가지 문제가 있다. 가연성 물질이라는 점이다. 즉 쉽게 말해 불이 붙을 수 있는 액체 다. 열폭주라는 현상 배터리가 손상되거나 내부 온도가 상승하면 작은 화학 반응이 시작된다. 이 반응은 열을 만들어 낸다. 문제는 그 열이 다시 또 다른 반응을 일으킨다는 점이다. 이 과정이 반복되면 온도는 급격하게 상승한다. 이 현상을 과학에서는 이렇게 부른다. 열폭주 (Thermal Runaway) 열폭주란 열이 발생하고 그 열이 다시 반응을 가속시키며 결국 통제할 수 없는 온도 상승으로 이어지는 현상이다. 그래서 폭발이 일어난다 온도가 계속 올라가면 배터리 내부의 전해질이 기화하기 시작한다. 기체는 부피가 커지기...
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세계 세 번째 성공-EP.7

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세계 세 번째 성공 | 탄소섬유 이야기 7화 세계 세 번째 성공 14년 연구의 끝에서 연구는 계속됐다. 돌파구를 찾은 이후 공정은 조금씩 안정되기 시작했다. 강도는 올라갔다. 섬유 구조도 점점 안정되었다. 하지만 아직 한 단계가 남아 있었다. 양산. 연구와 산업은 다르다 실험실에서 만드는 것과 공장에서 대량 생산하는 것은 완전히 다른 문제다. 연구실에서는 몇 미터의 섬유면 충분하다. 하지만 산업에서는 수천, 수만 가닥의 섬유를 안정적으로 생산해야 한다. 공정이 조금만 흔들려도 섬유는 바로 끊어진다. 그래서 마지막 단계는 가장 어려운 단계였다. 그날 수많은 테스트 끝에 첫 번째 양산 테스트가 진행됐다. 긴 공정 라인이 천천히 움직이기 시작했다. 섬유는 열처리로를 통과했다. 탄화 공정을 지나 마침내 감겨 나오기 시작했다. 연구팀은 모니터를 바라보고 있었다. 아무 말도 하지 않았다. 섬유가 끊어지지 않고 계속 생산되고 있었다. 그리고 얼마 후 데이터가 나타났다. 강도 기준 통과. 그 순간 연구실 분위기가 바뀌었다. 14년 연구가 마침내 결실을 맺은 순간이었다. 세계 세 번째 기술 탄소섬유 양산 기술은 미국과 일본 이후 세계 세 번째 성공 이었다. 이 기술의 의미 이 성공은 단순한 소재 개발이 아니었다. 탄소섬유는 항공기, 우주 산업, 풍력 발전, 수소 산업 그리고 미래 자동차까지 사용되는 핵심 소재다. 이 기술을 확보했다는 것은 미래 산업의 중요한 기반을 확보했다는 의미였다. 그리고 이 모든 과정은 단 하루 만에 이루어진 일이 아니었다. 14년이라는 시간 동안 수없이 반복된 실패 끝에 만들어진 결과였다. 머리카락보다 가는 섬유 하나. 하지만 그 안에는 수많은 연구와 기술이 담겨 있다. ...
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드디어 보이기 시작한 돌파구-EP.6

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첫 번째 돌파구 | 탄소섬유 이야기 6화 첫 번째 돌파구 긴 터널 속에서 발견된 작은 변화 연구는 계속 실패하고 있었다. 섬유는 끊어졌다. 강도는 기대에 한참 못 미쳤다. 같은 실험을 반복해도 결과는 늘 비슷했다. 연구팀은 한 가지 문제를 발견했다. 탄소 구조가 제대로 형성되지 않는 것. 실패의 원인 탄소섬유는 단순히 섬유를 태운다고 만들어지지 않는다. 수천 도의 열처리 과정에서 탄소 원자들이 일정한 방향으로 정렬해야 한다. 그래야 강한 구조가 만들어진다. 하지만 당시 실험에서는 이 정렬 구조가 불안정했다. 결과는 항상 같았다. 섬유 내부 구조 불안정 강도 부족 생산 공정 불안정 연구팀은 공정 데이터를 다시 분석하기 시작했다. 작은 가설 한 연구원이 한 가지 가설을 제시했다. 탄화 과정에서 온도 상승 속도 가 너무 빠른 것이 아닐까. 탄소 구조가 형성되기 전에 섬유 구조가 먼저 손상되고 있을 가능성이 있었다. 그래서 연구팀은 공정 조건을 조금 바꿔보기로 했다. 열처리 온도 상승 속도 조정 섬유 장력 미세 조절 탄화 단계 시간 조정 아주 작은 변화였다. 정말 작은 변화. 그날의 실험 며칠 뒤 새로운 조건으로 실험이 진행됐다. 연구팀은 큰 기대를 하지 않았다. 그동안도 수많은 실험이 있었기 때문이다. 하지만 실험 결과가 나왔을 때 분위기가 조금 달라졌다. 섬유 강도 수치가 조금 올라가 있었다. 처음에는 단순한 오차라고 생각했다. 그래서 다시 실험을 반복했다. 그리고 같은 결과가 나왔다. 한 번 더 실험했다. 또 같은 결과였다. 그 순간 연구실 분위기가 바뀌었다. 강도가 올라가고 있었다. 아주 미세한 차이였지만 분명한 변화였다. 연구의 순간 대부분의 기술 혁신은 작은 차이를 발견하는 순간...
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실패의 연속, 탄소섬유 개발의 현실-EP.5

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실패의 연속, 탄소섬유 개발의 현실 | 탄소섬유 이야기 5화 실패의 연속 탄소섬유 개발의 현실 기술은 한 번에 완성되지 않는다 탄소섬유 개발은 시작되었다. 하지만 현실은 생각보다 훨씬 거칠었다. 실험을 하면 실패했다. 공정을 바꾸면 또 실패했다. 어떤 날은 섬유가 끊어졌고 어떤 날은 강도가 나오지 않았다. 또 어떤 날은 생산 공정 자체가 안정적으로 유지되지 않았다. 소재 산업의 가장 어려운 점 소프트웨어는 코드를 수정하면 바로 결과가 나온다. 하지만 소재 산업은 다르다. 실험 하나를 바꾸면 결과를 확인하기까지 오랜 시간이 걸린다. 그리고 그 결과가 다시 처음으로 돌아가게 만들 수도 있다. 소재 산업의 특징 첨단 소재 기술은 수많은 시행착오와 축적된 노하우로 완성된다. 기술은 책으로 배우지 않는다 탄소섬유 생산에는 수많은 변수들이 존재한다. 열처리 온도 가열 속도 섬유 장력 화학 공정 조건 이 변수들이 조금만 달라져도 섬유의 성질은 완전히 달라진다. 그래서 소재 산업에서는 문서화되지 않은 노하우 가 매우 중요하다. 바로 이런 이유 때문에 탄소섬유 기술은 오랫동안 소수 기업만 보유할 수 있었다. 끝없는 터널 속 연구 연구는 계속되었다. 실패가 반복되었지만 연구는 멈추지 않았다. 하나의 문제를 해결하면 또 다른 문제가 나타났다. 마치 긴 터널을 걷는 것과 같았다. 언제 끝이 보일지 알 수 없었다. 하지만 기술은 이런 과정을 통해서만 완성된다. 그리고 어느 순간 조금씩 변화가 나타나기 시작했다. 실험 결과가 조금씩 안정되기 시작한 것이다. 아주 작은 변화였지만 연구팀에게는 중요한 신호였다. 돌파구가 보이기 시작한 것이다. ← 4화 : 14년의 도전 6화 : 드디어 보이기 시작한 돌파구 → 참고 및 추가 읽...
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