파나소닉의 새로운 실리콘 파우더 구동 배터리, 전기차를 급속 충전할 수 있게 될까?

테슬라의 미국 내 주요 배터리 공급업체와 협력하는 한 회사는 조만간 전기자동차의 주행거리를 500마일로 늘리고 10분 만에 충전할 수 있는 실리콘 기반 기술을 보유하고 있습니다.

2011년 테슬라의 일곱 번째 직원이 공동 설립한 캘리포니아 회사 실라는 주행거리 불안감을 없애고 충전 시간을 단축하며 중국에 대한 의존도를 낮출 수 있는 미국산 전기차 배터리용 실리콘 파우더를 파나소닉에 공급할 예정입니다.

파나소닉의 주요 미국 고객은 테슬라이며, 전 세계 전기차 배터리의 약 10%를 생산하고 있습니다. 작년에 실라는 2025년에 출시될 예정인 메르세데스-벤츠의 새로운 장거리 주행용 G클래스 전기 SUV에 배터리를 공급하는 계약을 체결했습니다. (이 독일 자동차 제조업체는 2019년에 실라의 시리즈 E 펀딩 라운드를 주도했습니다.)

실라의 타이탄 실리콘 양극 파우더는 마이크로미터 크기의 나노 구조 실리콘 입자로 구성되어 있으며 기존 리튬 이온 배터리의 흑연을 대체합니다. 전기차를 위한 이러한 배터리 전환으로 곧 500마일의 논스톱 주행과 10분 충전이 가능해질 것입니다. 게다가 양극 교체에는 새로운 제조 기술이 필요하지 않습니다. 블랙 파우더는 이미 최신 활동 추적 웨어러블 기기인 후프(Whoop)의 5일 배터리 수명에 사용되고 있습니다.

실라의 공동 설립자이자 CEO인 진 베르디체프스키(Gene Berdichevsky)는 "이 단계에 도달하기까지 12년과 8만 번의 반복 작업이 필요했습니다."라고 말합니다. "이것은 정교한 과학입니다." 

베르디체프스키는 2004년에 일곱 번째 직원이 되어 테슬라에서 경력을 쌓기 시작했습니다. 그는 테슬라의 로드스터 배터리 시스템 책임자였으며, 직원 수가 300명 정도 되었을 때 퇴사했습니다. 이후 그는 테슬라 동료인 알렉스 제이콥스, 조지아 공대의 재료 과학 교수인 글렙 유신과 함께 실라를 공동 설립했습니다.

새로운 배터리 기술 확장

흑연에 비해 실리콘은 최대 10배 더 많은 에너지를 저장하므로 방전 시 전자를 방출하는 양극에 흑연 대신 실리콘을 사용하면 배터리의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 하지만 실리콘은 충전을 반복하면 부풀어 오르고, 이로 인한 균열로 인해 배터리 수명이 급격히 줄어듭니다.

실라의 기술은 나노 크기의 탄소 '스캐폴딩(비계)'을 사용하여 실리콘의 팽창을 억제함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있었습니다. "타이탄 실리콘은 나노 복합 소재입니다."라고 베르디체프스키는 말합니다. 

"건포도 빵처럼 건포도가 실리콘이고 건포도 주위에 질척거리는 매트릭스가 있으며 입자 자체에 큰 외피가 있습니다. 껍질이 공간을 잡아주고 건포도가 팽창하면 빵이 옆으로 이동합니다. 스캐폴딩(비계)은 실리콘을 고정하는 것이 아니라 팽창을 수용하는 것입니다."

특허 받은 스캐폴딩(비계) 공정은 실리콘에서 추출한 실란 가스가 맞춤형 탄소 격자에 침투하는 방식입니다. 이렇게 만들어진 미크론 크기의 분말은 배터리 제조업체로 배송됩니다.

PHOTOGRAPH: PANASONIC; SILA

"우리는 리튬 이온 배터리의 흑연을 50~100%까지 대체할 수 있습니다."라고 베르디체프스키는 주장합니다. 전량 교체하면 일반적인 전기차의 주행거리를 40% 늘릴 수 있고, 여유롭게 기름을 채우는 데 걸리는 대기 시간의 80%까지 충전 시간을 단축할 수 있습니다.

실라는 타이탄 실리콘이 흑연보다 약 5배 가볍고 완전 충전 시 공간을 절반 정도 차지한다고 말합니다. 파나소닉은 실라와의 계약을 발표하는 보도 자료에서 2030년까지 배터리의 체적 에너지 밀도를 리터당 1,000와트시까지 높이는 것이 목표라고 밝혔습니다.

베르디체프스키는 "이는 매우 높은 수치입니다."라고 말합니다. "현재 세계 최고의 배터리는 리터당 740와트시 정도이며, 이는 전고체 배터리 개발자들이 도달할 수 있다고 주장하는 수치와 동일합니다. 우리는 지금 이 기술을 통해 이러한 수준에 곧 도달할 수 있다고 말할 수 있습니다."

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실리콘 솔루션

흑연은 거의 모든 리튬 이온 배터리에 사용되는 전 세계 기본 양극 소재로, 배터리 부피의 최대 60%를 차지합니다. 국제에너지기구 보고서에 따르면 현재 모든 전기차 배터리의 약 4분의 3이 중국에서 생산되고 있습니다.

전체 다운스트림 전기차 배터리 공급망을 장악하고 있는 중국(2022년)

광업 컨설팅 업체인 벤치마크 미네랄 인텔리전스(Benchmark Mineral Intelligence)는 중국이 전 세계 자연 발생 흑연의 61%를 생산하고, 완성된 흑연 원료의 98%를 정제하는 것으로 추정합니다.

실리콘은 지각에서 세계에서 두 번째로 풍부한 원소이며(산소가 첫 번째), 실리콘 가스 생산에 사용되는 고순도 석영은 미국에서 채굴됩니다.

2017년부터 캘리포니아 알라메다에 위치한 회사 본사의 파일럿 시설에서 가전제품용 실리콘 양극 분말이 만들어지고 있습니다. 하지만 자동차용으로 생산하기 위해 현재 워싱턴주 모세 레이크에 한 번도 사용되지 않은 60만 평방피트 규모의 파이버글래스 공장을 짓고 있으며, 초기에는 대부분 현지인 100명을 고용하고 회사가 성장함에 따라 600명을 추가로 고용할 계획입니다.

감자로 유명하지만 시애틀과 스포캔의 중간 지점에 위치한 모세스 레이크는 이제 이 지역의 값싸고 깨끗한 전력에 관심이 많은 차세대 산업을 끌어들이는 수력 발전의 중심지가 되었습니다.

베르디체프스키는 유럽 고객에게 제품을 공급하는 경우, 이제 더티 그리드에서 벗어나는 것이 유리하다고 말합니다. 지난 6월 유럽 의회에서 통과된 규정으로 인해 실라가 브뤼셀에 위치하는 것이 당연해졌습니다. 브뤼셀은 이제 EU 시장으로 향하는 모든 전기차 배터리에 탄소 발자국을 표시하는 라벨을 부착해야 하며, '배터리 여권'은 공급망을 통해 배터리와 그 자재를 디지털 방식으로 추적해야 합니다.

2022년 인플레이션 감소법(IRA)에도 공급망 요구 사항이 있습니다. 전기차 보조금을 받으려면 배터리 광물을 국내 또는 동맹국으로부터 조달해야 합니다. 기후 변화에 초점을 맞춘 IRA의 일부 조항은 올해 미국의 광물 조달 비율을 40%로 정하고, 2027년부터는 80%로 늘릴 것을 의무화하고 있습니다. 또한 IRA는 "우려되는 외국 기관"의 중요 광물, 배터리 재료 및 기타 부품을 사용하는 것을 금지하고 있습니다.

버디체프스키는 "배터리에 중국산 재료를 사용하면 고객은 7,500달러의 세금 공제 혜택을 놓치게 됩니다."라고 말합니다.

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포르쉐 실리콘 파우더 적용 준비

모세 레이크의 청정에너지에 매료된 자동차 관련 실리콘 나노복합재 제조업체는 실라뿐만이 아닙니다. 이전 유리섬유 공장에서 1마일 떨어진 곳에 위치한 그룹14 테크놀로지스는 포르쉐에 공급할 유사한 파우더를 생산하는 공장을 신축하기 위해 착공에 들어갔습니다.

이 독일 자동차 제조업체는 작년에 그룹14에 6억 1,400만 달러의 펀딩 라운드를 주도했습니다. 설립 7년차인 이 공장이 2024년에 문을 열면 연간 20만 대의 전기차에 공급할 수 있는 SCC55 양극 분말을 충분히 생산할 수 있게 됩니다.

베르디체프스키는 "파트너십과 협업을 맺고 있는 회사들이 있지만 모두 아직 개발 단계에 있다"며 "우리는 대규모 생산 제조를 위한 준비가 되어 있다"라고 말했습니다.

공교롭게도 모세 레이크에는 한때 태양광 산업에 공급하다 문을 닫은 후 현재는 미국에서 단 두 곳뿐인 실리콘 가스 제조업체 중 하나인 REC 실리콘이 있습니다. 그룹14는 현지에서 제품을 조달할 예정이며, 베르디체프스키는 실라가 어디에서 실리콘 가스를 조달하는지는 밝히지 않았습니다. 두 회사 모두 실리콘 양극 공장을 건설하기 위해 1억 달러의 연방 보조금을 받았습니다.

웰슬리 대학의 환경학 교수인 제이 터너는 와이어드에 새로운 전기차 배터리 기술을 국내에서 대규모로 제조하는 것은 당연히 큰 문제라고 말했습니다. 북미의 새로운 전기차 생산을 추적하는 배터리 역사가인 그는 "이는 역사에 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했습니다.

"과거에는 미국이 첨단 배터리 연구의 선두주자였지만 실제 제조는 대부분 해외에서 이루어졌습니다. 미국에서 개발된 연구가 미국 공장에서 확장되는 것을 보는 것은 매우 흥미로운 일입니다. 실라와 그룹14는 모두 확장에 유리한 위치에 있는 것으로 보입니다."

파워 플레이어

하지만 이 두 회사는 미국 내 실리콘 양극 생산업체 중 두 곳에 불과합니다. 캘리포니아의 원디 배터리 사이언스(OneD Battery Sciences)와 앰프리우스는 나노 실리콘 분말보다 부풀어 오르는 경향이 적다고 주장하는 실리콘 나노와이어를 생산하고 있습니다.

2008년 스탠퍼드 재료과학 교수인 이 쿠이(Yi Cui)가 설립한 앰프리우스는 항공 분야용 실리콘 양극에 주력해 왔으며, 원디 배터리 사이언스는 실리콘 나노 기술을 GM의 울티움 배터리에 적용할 예정입니다.

캘리포니아에 위치한 에너베이트는 실리콘 나노입자나 나노와이어를 엔지니어링 하는 대신 구리 호일 위에 직접 나노 크기의 실리콘 필름을 증착합니다. 이 회사의 실리콘 양극 배터리는 이미 전기 오토바이에 사용되고 있습니다.

시카고의 스타트업인 나노그래프(NanoGraf)는 안정성을 위해 미리 부풀린 음극용 실리콘 산화물 소재를 만듭니다. 이 회사의 양극은 군용 전자제품에 사용됩니다.

다른 배터리 화학 개발자들은 기존의 리튬 이온을 완전히 대체하기 위해 노력하고 있습니다. 테슬라는 이미 리튬-철-인산염 배터리를 장착한 자동차를 생산하고 있고, 도요타는 전고체 배터리로 업계 관계자들을 놀래켰으며, 중국 기업들은 리튬, 니켈, 코발트가 거의 또는 전혀 필요 없는 나트륨 이온(Na 이온) 기술을 개발하고 있고, 삼성SDI는 고망간 배터리를 완성하고 있습니다.

성장하는 글로벌 전기차 시장에는 위의 모든 것이 적용될 여지가 있을 수 있습니다. 실제로 새로운 배터리 기술을 전문으로 연구하는 영국의 어드밴스드 프로펄션 센터는 이러한 전기 기술의 변화는 "성능 특성에 따라 사용자 사례가 다양하기 때문에 한 가지 유형의 배터리 화학이 다른 유형보다 우위에 있는 것은 아니다"라고 말합니다.

https://www.wired.com/story/panasonic-powder-powered-silicone-ev-batteries/

Panasonic’s New Powder-Powered Batteries Will Supercharge EVs