• SK 前身 有功 1982年 배터리 事業 挑戰 示唆

• 1993年 배터리 充電式 電氣車 開發 成功

• 2012年 에너지 密度 가장 높은 電氣車 배터리 開發

• 2019年부터는 次世代 리튬메탈배터리 開發 着手

배터리 産業은 4次 産業의 基盤이 되는 分野다. 5G 모바일 通信網, 自律走行 電氣自動車, 드론, 事物인터넷(IoT) 等 거의 모든 分野에 배터리가 必要하다. 特히 電氣車用 배터리는 그 中에서도 더 높은 水準의 技術이 必要하다. 

電氣車의 走行性能은 모터와 배터리에 달려 있다. 아무리 高性能의 모터가 있어도 배터리의 出力이 높아야 제 性能을 낼 수 있기 때문이다. 한 番 充電에 먼 距離를 갈 수 있어야 하는 만큼 배터리의 容量도 看過할 수 없다. 배터리의 무게나 크기도 重要하다. 自動車가 移動手段인 만큼 무게는 가벼울수록 좋다. 배터리가 작을수록 車輛 內 餘裕 空間을 만들 수 있다. 여기에 充電 速度와 耐久性까지 神經 써야 한다. 電氣車 배터리 市場이 ‘배터리 業界 最前線’이라 불리는 것도 이 같은 理由에서다.

SK 電氣車 배터리 後發走者 아냐

배터리 業界의 最前線에서 SK이노베이션(以下 SK)은 좋은 成果를 내고 있다. 現在 電氣車에 들어가는 배터리는 大部分 리튬이온배터리다. 리튬이온배터리는 金屬을 여러 張 쌓아서 陽極과 陰極을 만든다. 리튬 이온이 이 두 極을 오가며 祝典과 放電을 하는 原理다. 電氣車用 배터리의 陽極과 陰極에는 主로 니켈과 구리, 망간이 쓰인다. 이 中 니켈의 含量이 높을수록 出力과 容量도 커진다. 

올 8月 9日 SK는 ‘NCM구반반’ 배터리 商用化에 成功했다. ‘NCM구반반’은 니켈(Ni)과 九里(Cu), 망간(Mn)의 元素記號 앞 글字를 따 만든 이름이다. 各 元素의 比率은 各各 9:½:½이다. 니켈 含量이 높은 만큼 高性能의 배터리다. 美國 自動車 業體 포드는 2023年 出市 豫定인 電氣 픽업트럭 ‘F-150’에 ‘NCM구반반’ 배터리를 搭載할 豫定이다. 9月 8日에는 現代·기아자동차와 協力體系 構築을 發表했다. 앞으로 現代·기아자동차가 生産하는 電氣車에 大部分 SK의 배터리가 들어간다. 

SK는 배터리業界의 後發走者라고 알려져 있지만 그것은 리튬이온배터리에 限定된 얘기다. 電氣車 배터리 開發 時點으로 보면 SK는 最古參이다. 이미 1993年에 배터리 充電式 電氣車를 내놨기 때문이다. 1995年 리튬이온배터리 開發에 나선 LG化學(以下 LG)은 2009年에야 車輛用 리튬이온배터리 量産을 始作했다. SK가 LG보다 16年 먼저 電氣車 배터리 開發에 成功한 셈이다.

90年代에는 國內 唯一 電氣車 배터리 開發業體

SK의 배터리 事業에 對한 歷史는 1982年으로 거슬러 올라간다. 배터리 事業 挑戰의 端初를 提供한 사람은 當時 SK의 前身인 대한석유공사(以下 有功)의 社長이었던 최종현 SK그룹 先代會長. 1982年 최종현 先代會長(當時 有功 社長)은 유공의 富·課長 懇談會에 參席해 “유공을 精油會社로만 運營할 것이 아니라 綜合에너지 會社로 그 方向을 바꿔야 한다. 10年 後에는 會社의 全體 事業 中 精油 事業의 比率이 다른 에너지 事業의 比率에 비해 낮아질 수 있게 하자”고 말했다. 

이 發言의 背景에는 1973年 始作된 中東發 石油價格 急騰 事態인 ‘오일 쇼크’가 있었다. 최종현 先代會長은 懇談會 當時 “世界 各國은 1970年代 午日 쇼크로 인해 代替 에너지를 開發하기 위해 努力하고 있다. 우리도 長期的으로는 가스, 電氣, 太陽에너지, 原子力, 에너지 蓄積 배터리 시스템 等 綜合 에너지와 關聯된 모든 事業을 해야 한다”고 이야기했다. 

崔 先代會長의 發言 以後 3年 만에 유공은 綜合에너지 開發 計劃에 着手했다. 1985年 SK는 精油業界 最初로 ‘技術支援硏究所’를 設立했다. 1991年에는 本格的으로 電氣車 開發에 나섰다. 유공이 처음 開發한 電氣車는 太陽光 電池를 利用한 三輪車였다. 이 實績을 바탕으로 이듬해 政府 支援 科學技術 開發 事業인 ‘G7 科學技術課題’에 選定됐다. 유공은 電氣車用 나트륨-硫黃 배터리 開發 課題를 맡았다. 

1年 만에 유공은 注目할 만한 結果를 이끌어 냈다. 1993年에는 5人乘 自動車에 모터와 나트륨-硫黃 배터리를 달아 試驗 走行에 成功했다. 유공은 當時 國內 電氣車 性能 新記錄을 세웠다. 有功 開發 電氣車의 最高 速度는 130㎞/h, 1回 充電 時 走行 可能 거리는 120㎞를 記錄했다. 1993年 國內 硏究機關과 企業이 開發한 電氣車의 最高 速度는 100㎞/h, 1回 充電時 走行可能 거리는 100㎞에도 미치지 못했다. 

1996年 電氣車 배터리 市場의 再編이 始作됐다. 燐酸鐵 리튬이온배터리가 開發됐기 때문이다. 1990年 開發된 初期型 리튬이온배터리는 리튬 金屬을 陽極으로 使用했다. 燐酸鐵이나 니켈, 구리, 망간 等의 觸媒가 없으니 祝典이나 放電 性能이 나트륨-硫黃 배터리에 비해 떨어졌다. 낮은 性能 때문에 電氣車에는 使用이 어려웠다. 카세트, CD플레이어 等 小型 家電製品에만 使用이 可能했다. 한便 燐酸鐵 리튬이온배터리는 나트륨-硫黃 배터리와 性能이 비슷하다. 只今도 中國 企業은 燐酸鐵 리튬이온배터리를 電氣車 배터리로 使用한다. 

두 배터리의 競合은 2004年 리튬이온배터리의 勝利로 끝났다. 나트륨-硫黃 배터리는 致命的 弱點이 있다. 나트륨-硫黃 배터리는 祝典과 放電 過程에서 300℃가 넘는 高熱이 發生한다. 배터리 內部의 電解質 液狀이 흘러나가면 높은 溫度 때문에 發火·爆發의 可能性이 높다. 배터리가 移動을 하지 않는다면 큰 問題가 없지만 電氣車에 싣기에는 적합한 배터리가 아니었다. 現在 나르륨-硫黃 배터리는 太陽光 發電所 蓄電池, 家庭用 祝電 배터리 等 固定된 場所에 놓는 배터리로만 쓰인다.

테슬라보다 走行 性能 앞서는 SK 배터리

1998年 유공에서 SK로 使命이 바뀌었지만 배터리 開發은 繼續됐다. SK는 1996年 나트륨-硫黃 배터리에서 方向을 轉換해 리튬이온배터리 電氣車 배터리 開發을 始作했다. 電氣車 開發로 쌓아온 經歷을 바탕으로 SK는 리튬이온배터리로 再編된 電氣車 市場에도 成功的으로 安着했다. 開發 7年만인 2012年에는 忠南 西山에 배터리 工場을 세워 電氣車用 리튬이온배터리 量産을 始作했다. 

SK가 電氣車 배터리 市場에서 다시 頭角을 나타내기 始作한 時點은 2012年. NCM(니켈-코발트-망간) 배터리를 開發한 以後부터다. 니켈과 코발트, 망간이 들어간 리튬이온배터리는 燐酸鐵 리튬이온배터리에 비해 가볍고 크기가 작으며 出力이 높다. 唯一한 弱點이라면 安全性. 爆發·發話의 危險이 燐酸鐵 리튬이온배터리에 비해 높다. 特히 니켈의 比率이 높을수록 배터리가 爆發·發火할 可能性이 높다. 니켈 含量이 높을수록 에너지 密度가 커지는데 좁은 空間에서 이온이 빠르게 움직이는 만큼 發熱이 생길 危險이 크기 때문이다. 

SK는 ‘高品質 濕式 分離膜’으로 배터리의 發熱 危險을 克服했다. 배터리 祝典 및 放電 過程에서 리튬 이온은 니켈, 코발트, 망간으로 構成된 兩極을 넘나들게 된다. 이 때 이온이 제 자리를 찾아가지 못하면 熱이 發生하고 爆發이나 發火의 危險이 생긴다. 分離幕은 이온의 離脫을 막아주는 役割을 한다. SK의 濕式 分離幕은 他社 製品에 비해 安全性과 耐熱性이 높고 壽命이 길다. 實際로 SK의 배터리를 使用한 電氣車는 한 番도 배터리 發火나 爆發 問題로 口舌에 오른 적이 없다. 

SK는 最近 ‘NCM구반반’ 배터리 商用化에 成功하며 니켈 含有 比率을 90%까지 올렸다. 走行 距離만 따지면 現在 商用化된 배터리 中 世界 最高 水準이다. 글로벌 電氣車 市場을 이끌고 있는 테슬라의 大型 세단 ‘테슬라S’가 1回 充電에 460km를 갈 수 있다. SK의 NCM구반반 배터리가 搭載된 乘用車는 한 番 充電에 500~700km를 달릴 수 있다. SK는 니켈 含有 比率을 95%까지 올리려 硏究 開發에 힘쓰고 있다. 이 배터리가 開發되면 한 番 充電으로 700km 以上 달릴 수 있는 電氣車를 만들 수 있다.

리튬메탈배터리는 SK가 主導할 豫定

SK는 次世代 배터리라 불리는 리튬메탈배터리 開發에도 着手했다. 리튬이온배터리의 에너지 密度 限界는 800Wh/L. 리튬메탈배터리는 에너지 密度를 1000Wh/L 以上으로 높일 수 있다. 리튬이온배터리는 液體狀態 電解質을 통해 이온이 오간다면, 리튬메탈이온 배터리는 이온이 固體狀態 電解質을 넘나든다. 거칠게 說明하자면 液體狀態 電解質이 國道라면 固體狀態 電解質은 高速道路다. 더 빠르게 이온의 交換이 可能하니 그만큼 배터리의 性能이 좋아지게 된다. 

2019年 SK는 노벨 化學賞 受賞者인 존 굿이너프(John B. Goodenough) 美國 텍사스大學 敎授와 손잡고 리튬메탈 배터리 硏究·開發을 始作했다. 굿이너프 敎授는 리튬이온배터리의 아버지 같은 學者다. 1981年 리튬이온배터리를 開發하고 1996年 燐酸鐵 리튬이온배터리로 發展시켰다. 이 功勞를 認定받아 2018年에는 노벨 化學賞을 受賞했다. 

이성준 SK이노베이션 技術革新硏究院長은 “배터리 産業의 오늘을 만들어 준 굿이너프 敎授와 次世代 리튬메탈배터리를 開發하는 것은 SK뿐 아니라 關聯 産業에도 큰 도움이 될 것이다. 韓國의 有力 배터리 企業과 美國의 世界 最高 碩學이 함께하는 만큼 배터리 産業 發展에도 크게 寄與할 수 있을 것”이라고 說明했다. 굿이너프 敎授도 “SK와 協力해 次世代 배터리가 市場에 나오는 時點을 最大限 앞당길 것”이라 밝혔다.