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G3, 실리콘·그래핀 음극재 상용화 박차…배터리 게임체인저 될까

등록 2021.12.09 09:00:00

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기사내용 요약

배터리 음극재에 그래핀·실리콘 복합 소재 활용
배터리 화재 막는 반고체 하이브리드 전해질 개발
내년 1분기 시리즈B 진행…같은해 하반기 상장

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왼쪽부터 아루나 쟈무(Aruna Zhamu) 글로벌그래핀그룹 공동 설립자 및 CTO, 보르 장(Bor Jang) 글로벌그래핀그룹 공동 설립자 및 CEO. [사진 제공 = G3] *재판매 및 DB 금지



[서울=뉴시스] 김경택 기자 = 미국의 전기차 배터리 스타트업 글로벌그래핀그룹(G3)이 그래핀 소재를 활용한 음극재 상용화에 박차를 가하고 있다. 전기차 산업의 최대 난제로 꼽히는 주행거리 불안감, 느린 충전속도 등을 해결해 게임체인저로 우뚝 설 수 있을 지 시장의 관심이 모이고 있다.

지난 2007년 설립된 G3는 미국 오하이오주 데이턴에 본사를 둔 첨단 소재 및 배터리 기술 기업이다. 그래핀 생산 업체 앙스트론머티리얼즈(AMI)가 모태인 미국 스타트업으로 현재 500건 이상의 특허를 보유해 전 세계 배터리 스타트업 중 IP(지식재산권) 선두에 올라 있다.

공동 설립자이자 CEO인 보르 장(Bor Jang) 대표이사는 미국 메사추세츠공과대(MIT) 재료과학 석·박사 출신으로 2002년 세계 최초로 그래핀을 발견해 관련 특허를 출원한 것으로 알려졌다. 2019년 미국 국립발명학회(NAI) 회원으로 선출됐으며 현재 800개 이상의 특허를 보유 중이다.

장 대표와 공동으로 G3를 설립한 아루나 쟈무(Aruna Zhamu) 박사 CTO는 그래핀 생산, 그래핀 응용, 슈퍼커패시터, 연료 전지, 배터리 및 복합 재료와 관련된 480개의 미국 특허(발급 또는 출원 중)를 보유하고 있다. 쟈무 박사는 200개 이상의 미국 특허를 보유한 세계 유일의 여성 과학자다.

G3가 개발 중인 배터리 기술의 핵심은 그래핀이다. 회사는 기존 흑연 음극재, 실리콘 음극재에서 나아가 배터리 효율을 극대화할 수 있는 '그래핀·실리콘 복합 양극재'를 개발했다.

전기차 배터리는 양극재, 음극재, 두 전극을 전기적으로 분리하는 분리막, 전해질 등으로 구성돼 있다. 리튬이온이 전해질을 통해 음극과 양극 간 전자이동을 통해 발생하는 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 구조다. 이중에서도 음극재가 배터리의 충전 속도와 수명을 결정한다.

현재 음극재의 80~90%는 흑연으로 구성되고 있지만 최근에는 실리콘 음극재 사용이 늘고 있다. 흑연보다 에너지 밀도가 최대 10배 가량 높은 동시에 충·방전 속도가 빠르다는 장점을 갖고 있기 때문이다. 하지만 충·방전에 따른 부피 팽창이 흑연보다 약 3~4배 커 장기적인 사용에 한계가 있다는 지적을 받고 있다.

G3는 실리콘 음극재에서 나아가 에너지 밀도를 더욱 높일 수 있는 그래핀·실리콘 복합 음극재를 개발했다. 실리콘·그래핀 복합 음극재는 기존 음극재인 실리콘의 장점은 살리고, 단점은 보완한 새로운 음극재다. 그래핀을 활용한 음극재를 활용하면 전기차의 주행 거리를 늘리고 충전시간을 대폭 단축시킬 수 있는 것으로 알려졌다.

장 대표는 "흑연 음극재를 그래핀·실리콘 복합 음극재로 대체할 수 있다"면서 "특히 그래핀은 실리콘의 반복적인 부피 팽창·축소에 따른 배터리 문제를 해결하는 데 효과가 있는 것으로 입증됐으며 1회 충전으로 주행거리를 40% 이상 늘릴 수 있다"고 말했다.

그러면서 "당사의 그래핀·실리콘 음극재 기술은 이미 한 글로벌 전기차 주문자상표부착생산(OEM) 업체로부터 검증을 받았다"면서 "추가적으로 다른 전기차 업체 및 배터리 개발사들이 G3 기술에 대한 최종 검증을 진행 중"이라고 설명했다.

최근에는 음극재를 리튬 금속으로 대체한 리튬 메탈 배터리도 업계의 관심사다. 리튬 메탈 배터리는 음극재로 기존 흑연과 실리콘이 아닌 리튬 금속을 적용한 배터리다. 꿈의 배터리라 여겨지는 '전고체 배터리'보다 양산 가능성이 높아 차세대 배터리로 주목받고 있다.

실제 리튬 메탈 배터리의 경우 기존 배터리에 비해 60% 가량 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 산업계와 학계에서 활발하게 연구가 이뤄지고 있다. 하지만 리튬 이온이 흑연에 저장되지 않고 리튬 금속 형태로 음극재에 저장돼 이온 전도도가 떨어져 충전 효율에 문제가 생긴다. 또 배터리 충전 시 리튬이 음극 표면에 쌓이면서 생기는 뾰족한 바늘 모양의 결정체가 형성, 분리막을 찢어 화재나 폭발을 유발하는 '덴드라이트' 현상도 수반된다.

G3는 이런 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다. 장 대표는 "고체 전해질을 사용하면 리튬 덴드라이트의 문제를 상당히 줄이거나 제거할 수 있다"며 "당사는 '염중용매(solvent-in-salt)' 전해질과 '폴리머(solvent-in-polymer)' 전해질 등 반고체·하이브리드 형태의 전해질을 개발했다"고 설명했다.

이들 전해질에는 휘발성 분자가 함유돼 있지 않아 덴드라이트 문제에서 자유로워질 수 있다는 설명이다. 특히 현재의 리튬 이온 제조 공정과도 호환되면서 기존 장비 및 시설 변경 없이 즉각 도입이 가능해 즉시 리튬 메탈 배터리의 이점을 빠르게 누릴 수 있을 것이라고 회사 측은 설명했다.

장 대표는 "G3의 배터리 기술은 비용을 최소화하면서 배터리 용량, 수명, 안전성, 급속 충전 등 모든 측면에서 상당한 이점을 제공하고 있어 여러 기업들이 투자 기회에 대해 협의해 오고 있다"며 "배터리 산업의 급부상에 필수적인 그래핀 보호 기술을 상용화할 준비가 돼 있으며 향후 배터리 산업에 있어 G3의 주도적 위치를 공고히 할 것"이라고 강조했다.

한편 G3는 내년 1분기 시리즈B 투자를 실시해 5억~10억달러를 조달하고 하반기엔 스팩을 통해 미국 증시에 상장한다는 계획이다.


◎공감언론 뉴시스 mrkt@newsis.com

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