By CARLTON REID, WIRED UK

2011년, 테슬라 7번째 직원이 공동 설립한 캘리포니아 소재 기업인 시라(Sila)는 파나소닉을 대상으로 전기차 배터리용 미국산 실리콘 파우더를 공급할 예정이다. 시라의 실리콘 파우더는 주행거리 우려와 긴 충전 시간 부담을 덜고, 중국 공급망 의존도까지 낮출 수 있다.

파나소니의 미국 주요 고객사는 테슬라이며, 전 세계 전기차 배터리 약 10%를 생산한다. 2022년, 시라는 메르세데스 벤츠와 2025년 출시 예정인 장거리 차량인 G 클래스 전기 SUV의 부품 공급 협약을 체결했다. (메르세데스 벤츠는 2019년 진행된 시라의 시리즈 E 펀드 라운드를 주도했다.)

시라의 타이탄 실리콘(Titan Silicon) 양극 파우더는 마이크로미터 크기의 나노 구조 실리콘 입자로 구성되어 기존 리튬이온 배터리의 흑연을 대체한다. 전기차의 구성요소 변화로 조만간 500마일을 연속 주행하고, 10분 만에 전기차 배터리를 100% 충전할 수 있을 것이다. 게다가 양극 파우더는 새로운 제조 기술이 필요하지 않다. 흑색 파우더는 이미 최신 후프(Whoop) 활동 추적 웨어러블 장비의 5일 연속 충전 없이 사용 가능한 배터리 전력을 지원한다.

시라 공동 창립자 겸 CEO 진 베르디체브스키(Gene Berdichevsky)는 “현재와 같은 개발 성과를 거두기까지 12년간 같은 작업을 8만 회 반복했다. 정교한 과학이 필요한 작업이다”라고 말했다. 2004년, 테슬라의 7번째 직원이 된 베르디체브스키는 테슬라에서 경력을 쌓기 시작했다. 베르디체브스키는 테슬라의 로드스터(Roadster) 배터리 시스템 개발 작업을 이끌고, 테슬라가 300인 규모 사업장으로 성장하였을 때 퇴사했다. 추가 연구 후 테슬라에서 만난 동료인 알렉스 제이콥스(Alex Jacobs), 조지아공과대학 물질과학 교수 글렙 유신(Gleb Yushin)과 함께 시라를 공동 창립했다.
 
새로운 배터리 기술 향상
실리콘은 흑연보다 에너지 저장량이 10배 더 많으므로 방전 도중 전자를 배출하는 부분인 양극에 실리콘을 대신 사용한다면, 배터리 에너지 밀도를 대거 개선할 수 있다. 하지만 실리콘은 충전을 반복하면서 부풀어 오른다. 결과적으로 균열이 발생하면서 배터리 수명이 대폭 줄어들 수 있다.

시라의 기술은 나노스케일 탄소 비계를 이용하여 배터리 수명을 확장하고, 실리콘 상태를 점검하도록 한다. 베르디체브스키는 “타이탄 실리콘은 나노 복합 소재이다. 건포도가 실리콘이라고 볼 수 있는 건포도 식빵과 같다. 그리고 입자 자체의 커다란 껍질과 함께 건포도 주변을 누르면 압력을 받는 매트리스가 있다고 볼 수 있다. 껍질은 빵 공간을 잡고, 빵 자체는 건포도가 늘어나면서 측면으로 이동한다. 비계는 실리콘을 잡지 않고, 확장 시 존재한다”라고 말했다.

특허 출원된 비계 과정에는 맞춤형 탄소 격자가 주입하는 실리콘 기반 실레인 가스가 포함된다. 그 결과, 마이크론 스케일 파우더가 배터리 제조사로 전달된다.

베르디체브스키는 “리튬이온 배터리의 흑연 소재를 50~100% 대체할 수 있다”라고 말했다. 흑연 전체를 교체한다면, 일반 전기차 주행거리가 40% 증가하며, 가스로 연료를 공급하는 데 걸리는 시간과 비교하여 전기차 충전 시간을 80% 단축할 수 있다.

시라는 타이탄 실리콘이 흑연 무게의 1/5 수준이며, 100% 충전 시 차지하는 공간은 절반 수준이라고 말한다. 시라와 파나소닉의 공급 협약 체결 소식 발표 현장에서 파나소닉 측은 자사 배터리의 용적 에너지 밀도를 2030년까지 1리터당 1,000Wh 늘리고자 한다고 밝혔다.

베르디체브스키는 “에너지 밀도를 대폭 늘리는 것이다. 오늘날 생산되는 배터리 중 가장 훌륭한 배터리의 1리터당 에너지 밀도는 740Wh 수준이다. 전고체 배터리 개발사가 기록할 수 있다고 주장하는 에너지 밀도와 같은 수치이다. 시라는 조만간 실리콘 파우더로 에너지 밀도를 1리터당 740Wh 이상 기록할 수 있다”라고 말했다.

실리콘 솔루션
흑연은 전 세계에서 기본적으로 사용하는 양극 물질이자 오늘날 대다수 리튬이온 배터리에 사용되는 소재이다. 또, 배터리 밀도의 최대 60%를 차지한다. 국제에너지기구(International Energy Agency) 보고서에 따르면, 현재 전기차 배터리 3/4은 중국에서 생산된다.

광물 채굴 컨설팅 기업 벤치마크 미네랄 인텔리전스(Benchmark Mineral Intelligence)는 중국이 전 세계 자연산 흑연 61%를 생산하고, 최종 흑연 물질 98%를 정제한다고 추산한다.

실리콘은 지구 매장량 2위를 차지하는 물질이다. (1위는 산호이다.) 게다가 실레인 가스 생산 시 사용하는 순도가 높은 석영은 미국에서 채굴된다.

시라의 양극 파우더는 2017년부터 캘리포니아주 알라메다 본사 내 시범 연구 시설에서 생산하는 소비자용 전자기기 소재가 되었다. 시라는 자동차와 같은 규모의 양극 파우더 생산을 위해 워싱턴주 모지즈레이크 내 면적 6만 제곱피트에 이르는 섬유글래스 공장을 건설한다. 초기에는 지역 주민 100명을 채용했으며, 최대 600명으로 채용 인력을 늘릴 계획이다.

감자로 유명하지만, 지도에는 시애틀과 스포캔 지역 사이 중간 지점에 작은 얼룩으로만 표시되는 지역인 모지즈레이크는 저렴하고 깨끗한 자원을 활용하고자 하는 차세대 산업을 끌어모으는 수소 전력 중심지가 되었다.

베르디체브스키는 유럽 소비자에게 부품을 공급한다면, 더러운 그리드 사용을 중단해야 한다. 2023년 6월, 유럽 의회에서 통과된 규제는 시라가 한 치의 고민도 없이 모지즈레이크를 공장 부지로 선택하는 계기가 되었다. 이제 유럽 의회는 유럽 시장에 판매되는 전기차 배터리 모두 탄소발자국을 공개하는 라벨 부착 의무화 규정을 시행한다. 이른바 ‘배터리 여권’을 통해 전체 공급망을 따라 배터리와 배터리 소재를 디지털로 추적할 수 있어야 한다.

2022년도 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act)의 공급망 요구사항도 있다. 전기차 보조금 지급 대상이 되려면, 배터리 소재가 되는 광물을 미국이나 우방국에서 공급해야 한다. 인플레이션 감축법의 기후변화 관련 조항은 미국산 광물 40% 포함을 의무화한다. 2027년에는 미국산 광물 포함량을 80%로 높일 계획이다. 이 외에도 인플레이션 감축법은 중요한 광물, 배터리 소재, 외국 기관의 우려 대상이 되는 기타 구성요소 사용을 금지하는 규정을 포함한다.

베르디체브스키는 “구매한 전기차 배터리에 중국산 배터리 재료가 하나라도 포함되었다면, 전기차 보조금 7,500달러 지원 대상에 해당하지 않는다”라고 언급했다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
Panasonic’s New Powder-Powered Batteries Will Supercharge EVs