[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 바야흐로 전기의 시대다. 기술력을 높인 이차전지는 에너지저장장치(ESS), 전기자동차, 휴대폰 등 다양한 용도로 산업 전반에서 사용되고 있다. 그중에서도 리튬이온전지는 미래 핵심 기술로 주목받으며 고용량, 고출력, 긴 수명, 내구성 등 장점으로 가장 널리 사용되고 있다.

유앤에스에너지 김경준 대표는 “지능형 집전체는 단락시에 저항을 증가시켜 단락 전류를 낮춰 줌으로 발열 반응을 억제해 안전성을 향상시키는 기술”이라고 설명했다. [사진=인더스트리뉴스]

다만 구조적 특성상 화재 위험성은 치명적 단점이자 풀어야 할 숙제로 지적되고 있다. 리튬이온전지는 기계적·전기적·열적 이상조건 등 복합적 요인으로 열폭주 현상이 발생하는데, 한번 발생하면 폭발적인 에너지 발생으로 제어하기 어렵다. 실제 수요가 늘어나면서 전기차 등에서의 화재·폭발사고 이슈가 끊임없이 이어지고 있다.

이런 상황속에 한 국내기업이 지능형 집전체(MCLB)를 통해 화재 위험성을 근본적으로 봉쇄한 리튬이온전지 개발을 완료했다. 유앤에스에너지(대표 김경준)가 그 주인공으로 회사는 현재 하반기 본격적인 양산을 목표로 생산라인 구축을 시작했다.

난제로 평가받으며 소화약제, 소화방법론 등 후발적 대책마련도 활발한 가운데, 유앤에스에너지의 전지 내부의 집전체를 통한 화재 봉쇄는 보다 근본적인 접근으로 그동안의 연구·대책들과는 궤를 달리한다.

유앤에스에너지 김경준 대표는 “지능형 집전체는 단락시에 저항을 증가시켜 단락 전류를 낮춰 줌으로 발열 반응을 억제해 안전성을 향상시키는 기술”이라며, “또한 단락 부위를 고립시킬 수 있는 기술을 같이 적용해 일부분만 단락 시 방전을 시켜 전체 에너지 대비 일부만 에너지를 소진하게 한다”고 밝혔다. 실제 발생하는 열이 작도록 유도한다는 뜻이다.

화재 주요 원인인 단락 상황, 지능형 집전체로 통제

리튬이온전지는 양극재, 음극재, 전해액, 분리막 4가지 요소로 구성되며, 양극과 음극 물질의 ‘산화환원 반응’으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 가연성인 구조물질, 고전압 취약성 등 문제점을 함께 가지고 있다. 화재의 원인으로는 대부분 단락 상황이 지목된다.

유앤에스에너지 김경준 대표는 “대부분 리튬이온전지의 위험성은 내부단락, 외부단락 등 단락이 차지하는 비중이 큰 것으로 추정된다”면서, “외부단락 상황을 예로 들면 단락시 급격히 단락 전류가 흐르게 되고, 이로 인해 내부온도가 상승한다. 이후 분리막이 녹는 온도까지 도달해 단락 면적이 커지고 이후 급격한 단락 전류 증가 및 온도상승을 초래하게 된다”고 말했다.

단락 환경 모사 시험시 집전체 비교, MCLB의 경우 저항이 증가되는 현상을 나타내고 있다. [자료=유앤에스에너지]

유앤에스에너지는 단락 상황에서 집전체를 통해 안정성을 확보했다. 집전체는 머리카락보다 얇은 약 10μm 두께의 막을 뜻하는데, 배터리 충·방전 시, 전기화학 반응이 일어날 수 있도록 전자를 외부에서 활물질로 전달하거나 활물질에서 내보내는 역할을 한다. 쉽게 말해 전자의 통로라고 이해하면 쉽다.

유앤에스에너지는 집전체를 통해 단락 전류를 낮춰 발열량을 잡아 안전한 리튬이온전지를 구현했다. 김경준 대표는 “유앤에스에너지가 개발한 집전체는 전위의 변화에 따른 전해액과의 반응성을 가져 단락 시 단락 주위의 집전체의 전기 저항을 증가시켜 단락 전류를 낮춘다”고 설명했다.

전해액이나 전위에 문제가 발생했을 경우에는 집전체를 통한 전지의 고립화 개념을 적용했다. 김 대표는 “단락이 발생하면 모든 에너지가 소진될 때까지 전류가 흐르게 되는데 이를 집전체를 통해 분리할 수 있게 했다”면서, “단락된 부분의 작은 부분만 방전되고, 다른 부분은 방전에 참여하지 않게 돼 방전에너지 자체를 줄여 온도상승을 억제할 수 있다”고 말했다. 온도 상승 전 단계에서 상황을 통제한다는 뜻이다.

현재 유앤에스에너지는 지능형 집전체를 적용한 리튬이온전지 개발을 완료하고, 하반기 양산을 목표로 생산라인 구축에 한창이다. 김 대표는 “지능형 집전체 기술이 적용되면 리튬이온전지의 고질적인 문제점인 화재 발생을 많은 부분 감소시킬 수 있을 것으로 기대한다”면서, “또 고립가능한 집전체 기술은 차세대 전지에도 적용이 가능해 활용도가 높을 것으로 예상된다”고 밝혔다.

고립가능한 부분에 인위적으로 단락이 가능하도록 탭을 추가해 단락을 진행한 결과, 사진과 같이 일부분만(검은색 부분) 방전된 형태를 나타냈다. [자료=유앤에스에너지]

유앤에스에너지, 이차전지 시장 게임체인저 될까

유앤에스에너지의 사명은 ‘Unique’와 ‘Safe’를 뜻한다. ‘안전’을 사명에 내세울 만큼 강조하고 있다. 이는 김경준 대표의 이력과도 무관하지 않다. 김경준 대표는 국내 이차전지 시장에 25년 넘게 몸담아 왔다. L사, S사, H사 등 국내 굴지의 이차전지 분야 대기업을 거치며 개발에부터 사용까지 이차전지 분야에서의 폭넓은 경험을 보유하고 있다. 특히 신뢰성과 안전성 분야에서 연구를 지속해 왔다.

김경준 대표는 “L사에서 리튬 폴리머 전지를 개발할 때부터 목표로 삼은 게 ‘안전성’이었다”면서, “항상 건전지처럼 안전하게 쓸 수 있는 이차전지를 개발하고자 하는 꿈을 가지고 있었다”고 밝혔다.

유앤에스에너지는 올해 하반기 지능형 집전체를 적용한 소형 전지 양산을 시작으로 본격적인 대형화 방향으로 개발을 진행한다. 김 대표는 “유앤에스에너지의 기술을 바탕으로 안전성을 확보할 수 있는 영역 내에서 최대한 에너지가 큰 전지를 개발하려고 한다”면서, “또 개발된 이차전지로 소형 전지 팩까지 개발해 출시하고자 하는 계획을 가지고 있다”고 밝혔다.

‘Safe’가 보장된 이차전지는 그 자체로 ‘Unique’하다. 유앤에스에너지가 글로벌 기술 패권 경쟁이 한창인 이차전지 시장에서 게임체인저가 될지 기대된다.

[최종윤 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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