실리콘 음극 배터리, 1,000회 충방전 시험 통과 — 프라운호퍼 ISE

프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(ISE)가 'StrOboBatt' 프로젝트에서 직접 만든 25Ah 파우치셀을 1,000회 이상 완전 충방전 시험했고, 시험을 마친 뒤에도 용량의 83% 이상이 남았다고 밝혔다. 업계에서 상용화 최소 조건으로 보는 기준은 1,000사이클에서 용량 80% 이상 유지다. 이 셀은 음극 활물질의 51%를 실리콘-카본 복합재로 채우고 니켈 비중이 높은 양극과 조합했으며, 산업용 규모의 파일럿 라인에서 생산됐다.

실리콘은 흑연보다 에너지밀도를 높일 수 있지만 그동안 음극 주재료로 자리잡지 못했다. 충전 중 리튬이온을 받아들이면서 부피가 최대 300%까지 늘고 방전 때 다시 줄어드는데, 이 움직임이 전극 내부의 전기적 접촉을 끊고 전해질 분해를 가속한다. 흑연의 팽창은 10~12% 수준이다.

시험에서 변수로 드러난 것은 압력과 출력이다. 충방전 동안 셀에 1,000kPa(약 10bar)의 축방향 압력을 걸었을 때는 전극 접촉이 유지됐지만, 300kPa(약 3bar)에서는 사용 가능한 용량이 훨씬 빠르게 줄었다. 실제 주행에 가까운 동적 조건에서도 출력이 높을 때 용량 감소가 빨랐다. 전기차에 적용한다면 배터리 관리 시스템이 이 특성을 반영해야 한다는 뜻이다.

ISE는 양산 최적화로 330Wh/kg에 이르면 현재의 NMC·NCA 셀보다 약 20~35% 높고 LFP의 거의 두 배가 되며, 같은 배터리 무게로 약 75kWh 대신 100kWh 가까이 실을 수 있다고 설명했다. 중형차의 현실적 주행거리는 450km 선에서 600km 이상으로 늘어난다는 계산이다. 원재료 측면의 셈도 있다. 흑연은 주로 유럽 밖에서 수입되는데, 실리콘은 유럽 역내에서 조달·합성이 가능해 가치사슬의 일부를 유럽으로 옮길 수 있다는 것이다.

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