미 에너지밀도 2배인 리튬 배터리로 CATL에 일격···미육군 공급

미국 뉴욕증시 상장업체인 앰프리우스 테크놀로지스가 설계해 미육군 납품을 앞두고 있는 시맥스(SiMaxx) 안전 셀. (사진=앰프리우스 테크놀로지스)

미국 캘리포니아 프리몬트에 본사를 둔 배터리업체 앰프리우스 테크놀로지스가 이달초 미 육군의 차세대 웨어러블 배터리 팩 개발 및 공급 자격을 완료해 공급을 앞두고 있다고 발표했다. 시맥스(SiMaxx) 안전 셀로 불리는 이 배터리 셀의 에너지 밀도는 기존 리튬이온 배터리 셀 의 2배에 달하는 500Wh/kg를 자랑한다.

세계최대 최고 배터리 회사로 꼽히는 중국 CATL은 지난해 4월 500Wh/kg 에너지 밀도를 가진 리튬 배터리를 개발했다고 발표했다. 하지만 CATL의 이 배터리 셀 양산소식은 들리지 않는다. 오히려 에너지 밀도에서 떨어지지만(205Wh/kg) 폭발 및 화재로부터 안정성이 우수한 초고속충전 리튬인산철(LFP) 배터리에 더 힘을 싣는 듯한 모습이다.

이런 가운데 이달 들어 앰프리우스가 미육군에 500Wh/kg 리튬이온 배터리 공급을 앞두고 있다고 발표했다. 세계 최고·최대 배터리 회사인 중국 CATL에 맞서는 상용화 공급을 앞둔 미국 앰프리우스 테크놀로지스의 세계 최고 에너지량을 가진 리튬 배터리에 대해 알아봤다.

앰프리우스의 이 최신 리튬 배터리 양산 시점은 내년이다. 이 고에너지 밀도 배터리 들은 군사용 고에너지 저장장치에도 사용된다. 이 회사는 내년에 미국 콜로라도에 있는 자사 공장에서 이 배터리들을 대규모로 생산할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 앰프리우스와 CATL의 발표자료, 뉴아틀라스, 베스트맥, 그린카 콩그레스, 인터레스팅 엔지니어링을 참고했다.

앰프리우스, 에너지 밀도 기존의 2배로 만든 비밀

미군의 차세대 웨어러블 배터리 팩에 앰프리우스 테크놀로지스의 안전 셀이 적용됐다. 기존 리튬배터리의 2배에 해당하는 에너지 밀도(500Wh/kg)를 가진 이 실리콘 음극재 배터리 셀은 미육군의 웨어러블 기기 배터리에 사용된다. 이는 병사들의 임무 수행 시간을 크게 늘릴 수 있을 것으로 기대를 모은다. (사진=앰프리우스 테크놀로지스)

최근 미육군의 요구는 착용 가능한 배터리 기술, 즉 군인들이 안전하게 휴대하고 착용할 수 있는 비교적 가볍고 컴팩트한 패키지의 강력한 솔루션에 대한 것이었다.

미육군은 기존 배터리 솔루션보다 에너지 밀도가 훨씬 높은 차세대 배터리팩을 도입해 탱크나 트럭에서 내린 장병들의 전원 솔루션에 있어서 혁신을 가져오고자 노력해 왔다.

앰프리우스가 미육군에 공급하는 강력한 에너지 밀도를 가진 리튬이온 배터리 ‘시맥스(SiMaxx)가 바로 그런 배터리 솔루션이었다.

시맥스 안전 셀을 배터리팩에 통합하면 기존 솔루션보다 에너지 밀도가 약 2배 증가해 전장에서 장병들의 임무 수행 시간이 크게 늘어난다.

앰프리우스가 미육군에 공급할 리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 500Wh/kg에 이른다. 이는 기존의 통상적 리튬이온 배터리 양(500Wh/kg)의 2배다.

상용화가 처음인 만큼 세계최고 최대 배터리 회사인 중국 CATL과도 당당히 맞서면서 양산을 준비하고 있다.

비밀은 이 회사가 생산하는 리튬이온 배터리의 음극에 사용하는 소재다. 이 회사는 에너지 밀도를 높이기 위해 기존의 흑연대신 리튬이온을 10배나 많이 갖는 실리콘을 사용했다.

뉴아틀라스에 따르면 실리콘은 더 나은 에너지 용량을 위해 최대 10배 더 많은 리튬 이온을 가지며, 나노 와이어 구성은 실리콘 기능의 열화를 방지하기 위해 이온의 이동과 관련된 부피 팽창과 수축을 더 잘 수용한다.

앰프리우스는 기존의 흑연 음극을 나노와이어 구조의 실리콘으로 대체하는 앰프리우스의 오리지널 배터리 셀 구조를 시맥스란 이름으로 상표화했다.

앰프리우스 테크놀로지스 CEO인 선 강 박사는 “이 배터리팩 통합은 미 육군의 지상 전력 솔루션을 강화하는 데 큰 진전을 의미한다. 높은 에너지 밀도와 안전 기능으로 유명한 우리회사의 시맥스 안전 셀은 트럭이나 탱크 등에서 내린 장병들의 임무 시간과 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다

시맥스 안전 셀은 미 육군이 자금을 지원하는 제조 기술(ManTech) 프로그램의 일환으로 개발됐으며, 이는 육군 전체의 중요한 제조 요구 사항을 확장하는 데 중점을 둔 산업 준비 노력이다. 이 배터리 셀은 지난해 7월에 밀 규격, 즉 미 군사용 성능 규격(MIL-PRE-32383)의 엄격한 안전 및 성능 요구 사항을 성공적으로 통과했다. 앰프리우스는 이어 올해 1월 시맥스 안전셀의 공급을 포함하는 맥테크에 따른 확장 제조 구상을 성공적으로 완료했다.

올인원 전원

앰프리우스 테크놀로지의 실리콘 음극 소재를 사용한 리튬이온 배터리의 구성. (사진=앰프리우스 테놀로지스)

미군은 가까운 미래에 군인들이 임무별 수요를 충족시키기 위해 최소한의 무게로 최대의 에너지를 운반해야 하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 그들은 임무에 핵심이 될 전기 장비, 장비 그리고 작은 웨어러블 기기를 가지고 다닐 필요가 있다.

미군은 병사들의 ’통합 시각 증강 시스템‘용 일체형 전원이 될 차세대 이른바 ’컨포멀 웨어러블 배터리‘(CWB)를 개발할 계획이다. 이는 병사들의 작전 임무에 중요한 통신 장비, 센서, 그리고 웨어러블 전자 제품을 위한 유일한 전원이 된다.

앰프리우스 테크놀로지스 최고경영자(CEO)인 선 강 박사는 “이번 배터리 팩 통합은 미 육군의 지상 전력 솔루션을 강화하는 데 큰 진전을 의미한다. 높은 에너지 밀도와 안전성으로 유명한 우리의 시맥스 안전 셀은 트럭이나 탱크 등에서 내린 병사들의 임무 수행 시간과 신뢰성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것이다”라고 말했다.

미육군 병사용 웨어러블 배터리 팩 프로젝트는 미 국방부의 제조기술(ManTech) 프로그램과 연계된 것으로서 산업 파트너십을 활용해 미 육군 전체의 요구 사항을 생산하는 프레임워크이다. 산업 준비 프로그램은 네트워크, 지휘 통제, 통신, 정보, 지상, 시스템, 항공 지원, 군인을 위한 혁신 및 무기 시스템 전반에 걸친 육군 전체의 제조 요구 사항을 해결하는 데 중점을 두고 있다.

따라서 앰프리우스의 양산움직임도 가빠지게 됐다.

앰프리우스, 미육군 앞서 항우연(KARI)에 시맥스 공급

앰프리우스 테크놀로지스는 지난해 3월 한국항공우주연구원(KARI)의 고고도 유사 위성(HAPS) 비행체에 밤새 동력을 제공하는 용도로 자사 시맥스 셀을 대규모로 공급했다고 밝혔다. (사진=앰프리우스 테크놀로지스)

실리콘을 음극재로 사용한 리튬이온 배터리 회사 앰프리우스는 지난해 3월 한국항공우주연구원(KARI·항우연)에 시맥스 셀을 공급했다고 밝힌 바 있다.

이 미국 회사는 항우연이 개발중인 태양광으로 움직이는 성층권 풀사이즈 비행체 동력 공급용으로 450Wh/kg 에너지양(제3자가 검증한 에너지양은 500Wh/kg)에 1150Wh/L의 에너지밀도를 가진 시맥스 셀을 대규모로 공급했다고 발표했다. 오늘날 일반적인 리튬이온 배터리의 용량은 통상 200~300 Wh/kg에 이른다.

이 배터리는 무게를 줄이고 항공기 비행 거리를 늘리기 위해 설계됐다. 앰피우스 테크놀로지스는 이 전지들이 고고도 유사 위성(High-Altitude Pseudo-Satellite HAPS)가 밤새 성층권 비행을 하기에 충분한 전력과 내구성을 제공할 수 있는 상업적으로 이용 가능한 유일한 배터리라고 말했다.

하지만 이번에 미육군에 작전용으로 공급하는 것은 사람이 직접 착용하는 데다 군사작전용으로 적용된다는 점에서 안전성을 크게 향상시켰다는 것을 알 수 있다.

앰프리우스, 시코어와 시맥스 투트랙 판매전

앰프리우스 테크놀로지가 고에너지 밀도를 갖는 시맥스 본격 출시에 앞서 내놓은 전기 이동성을 타깃으로 한 실리콘 음극 배터리 ’시코어‘ 셀. 시코어 셀 2종(사진)의 에너지 밀도는 시맥스보다 다소 낮은 350Wh/kg와 400Wh/kg이다. 시맥스의 에너지양은 최대 500Wh/kg다. (사진=앰프리우스 테크놀로지스)

앰프리우스는 앞서 지난 1월에 전기 이동성(전기차, 비행기)을 타깃으로 하는 실리콘 음극 배터리의 제품 포트폴리오를 확장한 완전히 새로운 시코어(SiCore) 플랫폼을 발표했다. 앰프리우스는 시코어 제품 플랫폼 외에도 기존 실리콘 나노와이어 플랫폼인 시맥스를 브랜드화했다. 시맥스의 에너지 밀도는 최대 500Wh/kg, 에너지 밀도는 1300Wh/L에 이른다.

선 강 앰프리우스 테크놀로지스 CEO는 “우리는 업계 최고 수준의 상용 에너지 밀도를 가진 실리콘 음극 리튬 이온 셀을 AALTO/에어버스, 에어로 바이론먼트, BAE 시스템즈, 텔레다인 FLIR 및 미군과 같은 존경받는 항공 고객에게 제공했다. 앰프리우스는 이같은 입증된 실적을 활용해 시코어로 우리의 실리콘 음극 배터리 솔루션을 확장하고 전기 이동성 전반에 걸쳐 더 많은 분야에 적용하는 엄청난 기회를 보고 있다. 전세계 전기 이동성용 배터리 시장 규모는 2025년까지 항공 및 전기차를 포함해 1000억 달러(약 135조원) 이상으로 성장할 것으로 전망된다. 이 신제품 플랫폼은 고객의 물량 출하 요구 사항을 즉시 충족하는 동시에 여러 적용 분야에서 실리콘 음극 배터리셀 채택을 촉진할 드롭인 솔루션을 제시해 성장하는 이 시장 요구를 보다 잘 해결할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 드롭인 솔루션은 구현하기 위해 추가 개발(또는 최소한의 프로그래밍)이 필요하지 않은 제품을 말한다.

시코어 실리콘 음극 전지의 성능은 전기 이동성 시장의 다양한 응용 분야에서 검증됐다. 이 전지는 중국 난징의 베르젤리우스(이전에 자회사였다가 앰프리우스 난징으로 알려진 회사)와 긴밀한 협력을 통해 개발됐다.

시코어 배터리의 초기 샘플은 까다로운 성능 요구 사항을 가진 고객들로부터 긍정적인 피드백을 얻었고, 이는 향후 몇 년 동안 100메가와트시(MWh) 이상을 필요로 하는 고객 수요 예측으로 이어졌다.

앰프리우스는 지속적인 시장 개척의 일환으로 몇 달 동안 고객들과 함께 적절한 시코어 제품 샘플 테스트 및 선정 작업을 해 왔다. 이 회사는 파트너인 베르젤리우스와의 독점 공급 계약을 통해 이러한 실리콘 음극 소재를 미국, 캐나다, 멕시코에 공급할 수 있는 독점적 권리를 가지고 있다. 현재 시코어 배터리는 유료 제조(Toll manufacturing) 파트너가 제조하고 있다. 이 제조 방식은 개발 과정의 제조 단계를 제3자 회사에 아웃소싱하는 것이다.

파우치, 대형 폼팩터(최대 100Ah), 원통형 셀 등을 아우르는 더 광범위한 폼팩터를 가진 메가와트시(MWh)급 생산능력을 갖춘 시코어 제품들이 올해 고객 수요를 지원하기 위해 배송된다. 이 제품들은 미국 캘리포니아주 프리몬트에 시맥스용으로 설치된 앰프리우스의 기존 MWh 생산능력과 투트랙으로 공급된다. 앰프리우스는 콜로라도에 위치한 기가와트(GWh) 규모의 공장에서 시코어와 시맥스 배터리를 모두 생산할 것으로 예상하고 있다.

앰프리우스 테크놀로지스는

앰프리우스 테크놀로지스의 실리콘 음극 리튬이온 배터리인 ’시맥스와 시코어 배터리 셀. (사진=앰프리우스 테크놀로지스)

앰프리우스 테크놀로지스는 배터리 업계에서 최고로 알려진 에너지 밀도를 가진 배터리 셀을 생산하는 선도적 고에너지 및 고출력 리튬 이온 배터리 제조업체다.

이 회사가 상용화한 시맥스 배터리는 최대 450Wh/kg(제 3자 검증시 500Wh/kg)의 배터리 용량과 1150Wh/L의 에너지밀도를 가지며, 제3자 검증에선 500Wh/kg 및 1300Wh/L를 각각 기록했다. 앰프리우스 테크놀로지스는 본사가 있는 캘리포니아 프리몬트에 연구개발(R&D) 연구소와 실리콘 음극 및 셀 조립을 위한 메가와트시(MWh) 급 규모의 제조 시설을 유지하고 있다.

앰프리우스는 고객 수요에 부응하기 위해 콜로라도 브라이튼에 약 77만 4000 평방 피트(7만2000㎡·2만2000평) 규모의 시설에 대한 임대 계약을 체결하고 시코어 플랫폼을 포함한 제품 포트폴리오를 확장했다.

역시 CATL은 세계 최고 최대 배터리 회사답네

지난해 4월 CATL은 앰프리우스에 앞서 높은 에너지 밀도를 가진(500Wh/kg)인 리튬이온 배터리를 개발했다고 발표했다. 아직 대규모 상용 공급 소식을 내놓지는 않고 있다. (사진=CATL)

그렇다면 앰프리우스 테크놀로지스가 세계 최고의 에너지양을 배터리셀을 개발한 유일한 회사일까. 그렇지는 않다. 세계최대 최고 배터리 회사 CATL이 있다.

이미 지난해 4월 CATL은 에너지 양 500Wh/kg인 리튬이온 배터리를 개발했다고 발표했다. 다만 대규모 상용 공급소식을 발표하지 않고 있는 것일 뿐이라고 생각할 수 있다.

하지만 발표 내용을 보면 만만치 않은 성능을 가진 개발품을 보유하고 있다는 점이 쉽게 읽힌다.

당시 CATL은 최첨단 배터리 개발소식을 전하면서 이 축합(縮合 condensed) 배터리가 전도성이 높은 생체 모방 축합 상태 전해질을 활용, 사슬 간 상호 작용력을 조절할 수 있는 마이크론 수준의 자기 적응형 그물 구조를 구성함으로써 셀의 전도 성능을 향상시키고, 결과적으로 리튬 이온 전달 효율을 높임과 동시에 미세 구조의 안정성을 높인다고 설명했다.

게다가 발표에 따르면 이 축합 배터리는 초고에너지 밀도 양극재, 혁신적인 음극재, 분리막, 제조 공정 등 다양한 혁신 기술을 통합함으로써 우수한 충방전 성능을 보이는 것은 물론 우수한 안전성까지 확보했다. CATL은 이 최첨단 기술의 출시가 오랫동안 배터리 분야의 발전을 제약해 온 한계를 깨고 높은 수준의 안전성과 경량성을 중심으로 전기화라는 새로운 시나리오를 열게 될 것이라고 자신했다.

CATL역시 큰 에너지 밀도를 가진 리튬이온배터리로 항공기같은 전기 이동성 분야 진출을 노리고 있다. (사진=CATL)

지난해 발표 당시 CATL은 전기 여객기 개발 파트너들과 협력하고 항공 등급 안전 및 품질 요구 사항에 따라 항공 수준의 표준 및 테스트를 하고 있으며 자동차 등급의 축합 축전지 버전상용화 소식을 지난해안에 내놓을 것이라고 밝혔다. 물론 아직 상용화 소식이 보이지는 않지만 임박한 것만은 분명해 보인다.

이같은 상황에서 미국발 고에너지 밀도 배터리 거대 수요처 확보 소식은 중국산 배터리 주도권에 대한 미국 배터리의 반격을 알리는 신호탄인 셈이다. 그것도 미국정부가 중국에 엔비디아의 인공지능(AI)개발용 핵심 반도체 수출을 규제하고 중국산 배터리 전기차 수입관세를 100나 매기는 강력한 제재 속에 나온 것이다.

이재구 기자

jklee@tech42.co.kr
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