나를 위한 기록

 요즘 내게 묻는 사람도 많고 의견이 분분한 애플의 모노셀 배터리에 대해 기록한다. 애플이 모노셀 전지에 대한 개념을 내놓은 후, 테슬라의 엘론 머스크가 전기화학적으로 불가능 하다고 바로 반박했다. 테슬라가 자신의 기술이 최고인 것처럼 광고효과로 보이기 위해 한말인지 정말 불가능하다고 생각해서 한말인지 모르지만 불가능하지는 않다. 모노셀은 가능하다. 어려운걸 불가능하다고 이야기하지는 않았으리라. 테슬라가 인산철전지(LFP 혹은 Lithium Iron Phosphate)를 마치 최신 전지 소재인냥 광고할 때부터, 진짜 기술보다는 대중에게 좋은 이미지를 심어주기 위한 언론 플레이에 노력을 많이 한다는걸 깨달았다. 앞서 기록 했듯이 LFP는 고용량 저코발트 미래형 양극이 아니고, 옛날에 중국에서 전기 버스를 시행히기 위해 사용했던 오래된 양극인데 다시 가져다 쓰는 것 뿐이다. LFP를 사용한다고 해서 테슬라가 다른 전지 회사들보다 좋은 전지 기술을 가진 회사라고 할 수는 없다. 지금도 테슬라가 LFP를 사용하는 이유가 중국 시장 진출일 위한 정치적 행보라고 생각되는 부분이 있다. 애플이 전고체전지에 수많은 노력을 오랫동안 쏟아온건 공공연한 사실이다. 증착 기술이 앞서 있는 분야에서 진입하는 것이기에 전고체전지로 오는 길이 다른 경쟁자들 보다는 수월했을 것이다. 소재를 LFP를 썼는지 NMC를 썼는지는 모노셀을 이야기할 때 중요하지 않다. 어느 소재를 쓰든 모노셀을 달성할 수 있다.  기존 리튬이온전지는 액체 전해질을 쓰기 때문에 전기차용 전지팩을 만드는데 모노셀이 불가능하다. 하지만 고체전해질을 사용해 전고체전지로 전지를 설계하면 단일셀로 높은 전압의 전지팩을 만들 수 있다. 즉, 애플의 모노셀은 전고체전지를 암시한 것으로 나는 이해했다. 이게 애플의 혁신 포인트다.  트윗 에 보면 2018년 엘론이 테슬라를 애플에 팔려고 제안했는데, 애플이 거절했다는 내용이 있다. 지금 애플의 기술 수준을 보면 애플이 기술적으로 우위에 있기 때문에 테슬라를 살 필요가 없었는지도

배터리를 다시 사용해야하는 때가 다가오고 있다. 스마트폰에 쓰던 배터리도 지금 재활용 또는 재사용이 되지 못한 채 버려지고 있는데, 환경적이 요인 때문이 아니라 경제적인 요인 때문에 최근 배터리 재활용 또는 재사용이 주목받고 있다.  이런 노력중에 하나로 배터리를 재활용하기 보다는 재사용에 더 눈을 돌리고 있는데, 우선 재활용은 배터리 소재를 다시 원래 원재료로 추출해서 이를 다시 배터리 소재로 만들거나 아니면 다른 곳에 사용하는 것이고, 재사용은 원재료로 바꾸는 과정 없이 성능이 좀 떨어지지만 배터리로 다시 사용하는 것이다. 기술적인 난이도로 봤을 때, 재활용이 무척이나 어려우므로 거기에 수년간 연구를 해오다 기술적인 극복이 그 필요성을 따라잡지 못해 재사용으로 기운 듯 하다.  배터리는 소재 -> 전극 -> 셀 -> 모듈 -> 팩 이렇게 단위가 점점 커지는데, 소재를 얻기 위해 분해해야하는 단계가 많다. 그래서 분해하기 쉽게 조립을 하는 것이 현재 기술 개발의 단계 이다. 대표적으로 폭스바겐이 대규모 투자를 한 것으로 유명한 Northvolt가 있다. ( https://www.energy-storage.news/news/northvolt-vw-announces-german-gigafactory-plan-as-battery-maker-signs-first ) 그리고 GM과 LG 화학이 동시에 개발한 Ultium 배터리 팩이 그것이다. 이렇게 어려운 과학적인 요소가 없더라도, 지금 상황에서는 분해하기 편하게 조립하는 기계적인 조정 만으로도 큰 도움이 되고 여기에도 대규모 투자가 이루어지고 있는 상황이다. 그리고 앞선 연구 그룹들은 그보다 높은 레벨의 재활용 또는 재사용에 대한 연구를 하고 있다. 여기도 큰 시장이 있고, 대규모 투자 소식이 앞으로 지속적으로 있을 것이다. 그럼 다시 배터리 재활용이 아닌 재사용에 대해 조금 더 살펴보면, 이렇다. '배터리의 수명이 다했다'의 정의는 배터리를 더 사용하지 못한다가 아니라 '

Photo by Rabih Shasha on Unsplash      거대한 에너지 저장장치 (배터리) 건설이 전세계적으로 그리고 미국에도 큰 트렌드가 되고 있다. 이런 거대한 배터리들은 Grid Scale Energy Storage라고 부르는 데, 전기 공급을 위한 것이다. 풍력 및 태양광 패널 등을 통해 생산된 전기를 저장하고 공급하기 위한 것이다. 미국에서는 Utility라고 부르곤 한다. 한국으로 보면 한국 전력이 하는 일이 Utility 회사들이 하는 일이다. 그래서 Grid Scale Energy Storage는 Utility Scale Energy Storage라고도 부른다.      캘리포니아 주(California)가 이런 변화에 가장 민감하고 선구자가 되는 주이고, 이런 거대한 배터리들은 캘리포니아 남부(Southern California)에 설치가 주고 설치가 되고 있다. 그리고 샌디에고 (San Diego)가 몇몇 가장 큰 배터리들의 고향이 되고 있다. 이 곳에 LS Power라는 Grid infrastructure 개발 회사가 그 거대한 배터리를 설치해오고 있다.      2018년 7월에 LS Power가 40MW Vista Project 배터리가 설치되었고, AES가 30MW/120MWh 배터리를 설치하였다. 2020년 LS Power가 Gateway Energy Storage Project로 62.5 MW/62.5 MWh 배터리를 샌디에고에 설치하고 있다. 이 모든 시대적으로 미국에서 가장 큰 배터리들이 샌디에고에 설치되고 있다.       그러나 Vistra Energy가 현재 산호세(San Jose) 남쪽 Monterey Bay에 있는 오래된 석유로 작동하는 화력발전소를 400MW/1600MWh급 배터리로 변환하고자 건설을 진행하고 있다. 그리고 플로리다에서도 오래된 석유/석탄 화력발전소를 409MW/900MWh급 배터리로 바꾸는 노력이 진행되고 있다. 

다른 원재료들도 있지만, LiOH와 LiCO3는 대표적인 리튬의 원재료다. 이 재료들을 다른 전이금속 재료들과 섞고 열을 가해 리튬이온전지 양극을 만들어 낸다. 하지만 이 둘은 비슷하면서도 좀 다르다. 내 경험상 LiOH가 더 양극 합성이 잘되고, LiCO3는 좀 안되는 경향이 있었다. 그래서인지 합성이 쉬운 소재들은 (e.g. LFP, LMO) 저렴한 LiCO3를 쓰고, 합성이 어려운 소재들은 (e.g. NMC) LiOH를 쓴다. 그래서인지 아래 블룸버그에서 나온 차트를 보면 LiOH는 공급이 어렵거나 급격한 가격상승이 예측이 되고, LiCO3는 과공급이 되는 상황이 발생하려는 것 같다. 전기차 제작사들은 소재 공급의 불균형을 염려하고 있는데, 리튬 원재료도 이 중에 하나다. LiOH는 주행거리를 높일 수 있는 고 에너지 양극 소재(NMC)의 재료이기 때문에 2020년 중반 까지는 공급이 가능할 것으로 예측이 되지만, 그 이후가 되면 좀 타이트해질 것으로 예측된다.  이런 이유로 전기차 제작사들이 LiCO3에 관심을 가지기 시작했는데, COVID 때문에 수요가 줄어들어 과공급이 된 LiCO3는 2030년까지 별 문제 없이 저가에 공급이 될 것이다. 이래서 인지 요즘 미국에서 LiCO3를 LiOH로 변환시킬 수 있는 연구를 진행하고 있고, 곧 산업의 수요도 뒷받침 될 것이다. 또한 전기차 제작사들 중에, 대표적으로 Tesla, 고 에너지 소재인 NMC 보다는 에너지가 적지만 저렴하고 소재 공급이 용이한 LFP를 안전하게 선택하려는 시도가 더 늘어날 수 있다. NMC는 Ni과 Co가 들어가므로 공급이 쉽지 않고 또한 고가이다. 하지만 LFP는 Fe을 기반으로 하기 때문에 리튬 원재료의 가격 뿐만 아니라 전이금속 재료의 가격 또한 저렴하다. 

Long Duration이라는 이름으로 요즘 뜨는 에너지 저장장치들이 있다. 예를 들면 아래 웹사이트와 같은 예가 있다. (수력(pumped hydro), 기계적 에너지 저장장치(stacked blocks), 플로우 배터리 (flow batteries) 등이 있다.) https://www.greentechmedia.com/articles/read/most-promising-long-duration-storage-technologies-left-standing 정의를 보면 8시간 혹은 12시간 이상 쓸 수 있는 배터리라고 한다. 하지만 알다시피 충전 또는 방전을 느리게 하면 어느 배터리든지 오랬동안 사용할 수 있다. 그래서 리튬이온전지나 다른 종류의 전지도 이와 같이 같은 용도로 사용할 수 있다고 생각할 수 있는데, 아니다. 다른 의미가 있다. 보통의 전기화학 반응을 이용하는 배터리의 경우에 높은 전력으로 배터리를 사용하면 배터리의 사용시간이 적다. 즉, 빠른 충방전을 하면 높은 전력을 얻을 수 있는 반면 그 사용시간이 줄어든다는 것이다. 전력과 사용시간이 서로 연관이 있고, 그게 반비례라는 이야기다. 하지만 높은 전력으로 오랬동안 사용해야한다면 어떻게 되겠는가. 이것이 현재 그리드 에너지 저장장치의 요구 사항이다. 높은 전력으로 오랬동안 사용하기이다. 그러면 리튬이온전지 같은 전기화학 에너지 저장장치도 높은 전력으로 오랬동안 사용할 수 있다고 생각할 수 있다. 맞다. 하지만 그에 상응하는 에너지가 아주 많은 전지를 설계하고 만들어야 한다. 즉, 아주 비싸진다. 가격 때문에 다른 메커니즘을 가진  하지만 무게당 에너지나 부피당 에너지를 아주 낮지만, 비교적 높은 전력을 아주 저렴한 가격에 오랬동안 공급할 수 있다면 어떠한가. 이것이 Long Duration Energy Storage이다.  쉬운 예를 하나 남긴다. 수력발전을 예로 들자. 수력발전은 시설을 한번 완비하면 에너지 생산비용이 아주 조금든다. 그리고 같은 전력으로 더 오래 사용

일이년 정도 전부터 저 코발트 (Low Cobalt) 배터리 를 개발한다 비중을 확대한다 등 코발트 함량을 줄인 심지어 아예 없앤 배터리를 개발하는거에 많은 기업들이 힘쓴다는 것을 알 수 있다. 그런데 정작 저 코발트 배터리가 뭔지에 대해 제대로된 설명이 없고, 보기에 따라 잘못된 방향으로 가는 경우가 있어 기록한다. 먼저 리튬이온전지가 처음 상용화가 된것은 코발트 배터리 였다. 즉, LiCoO2라는 양극소재를 사용한 배터리다. 그리고 다른 소재들이 많이 연구가 되었고 그중에 지금까지도 의미를 가지고 있는 소재로 LiMn2O4, LiFePO4와 같은 소재들이 있다. 하지만 결정적으로 에너지가 높지 않아 사용화는 되었지만 시장을 주름잡지는 못하고 있다. 시장을 주름 잡은 소재는 LiCoO2에 Mn과 Ni을 넣어 Co와 섞은 소재로 LiNixCoyMn1-x-yO2라고 부른다. 그리고 우리는 NMC 또는 NCM 이라고 부르곤 한다.   그리고 에너지와 가격을 떠나서 인권문제가 크게 발생하는데 그게 바로 콩고에서의 아동인권 이다. 관련 링크 콩고에서 심각한 인권문제가 발생하고 이와 관련된 회사들이 소송이 걸리기 시작하면서 급하게 코발트를 없애면서 저 코발트 배터리가 더욱 강하게 강조되고 있다. 여기서 배터리를 발전시키는 방향에서의 저 코발트 배터리는 NMC에서 Co를 거의 없애고, Ni과 Mn으로만 사용한 소재를 일컷는다. 즉, LiNixMn1-xO2의 화학식을 가지고 층상구조를 이루는 소재를 말하는 것 이다. 이것이 미래형 고에너지 고용량의 저가형 양극 소재이다. 그리고 인권문제가 적은 배터리이다. 굉장히 어렵고 현재 전세계 관련 연구자들이 목매달고 있는 중요한 문제이다. 그러면 오해를 일으키기 쉬운 저 코발트 배터리는 LiMn2O4, LiFePO4, 그리고 LiNi0.5Mn1.5O4가 있다. 이 소재들은 이미 오래전에 연구와 개발이 많이 되었고 상용화가 된 소재들이다. 저 코발트 배터리의 정의만 놓고 보면 이들 배터리도 분명 저 코