[박한나의 배터리ON] 에코프로, 리튬메탈 음극 4단계 로드맵 가동…전고체 상용화 정조준

입력: 2025-03-11 05:51 박한나 기자

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[편집자주] '박한나의 배터리ON'은 독자들이 궁금해하는 배터리 분야의 질문을 대신 해드리는 코너입니다. LG에너지솔루션과 삼성SDI, SK온을 비롯해 배터리 밸류체인에 걸쳐 있는 다양한 궁금증을 물어보고 낱낱이 전달하고자 합니다.

"에코프로이노베이션이 캐나다 하이드로퀘벡과 연구실 수준이지만 세계 최초로 두께 3~15㎛의 초박막 리튬메탈 구현에 성공했습니다. 2030년 전후로 예상되는 전고체 배터리 시대에서 에코프로이노베이션은 어떤 로드맵과 방식으로 전고체 시장을 선점할 계획인가요?"

에코프로이노베이션이 캐나다 하이드로퀘벡과 리튬메탈 음극의 개발부터 양산까지 아우르는 '트리니티(TRINITY) 프로젝트'에 착수했습니다. 실험실 수준에서의 프리파일럿 단계를 거쳐 파일럿과 상용화, 생산능력 확대라는 총 4단계에 걸친 로드맵으로 대량생산 체계를 구축해가는 스케일업이 특징입니다.

리튬메탈은 차세대 배터리로 주목받는 전고체 배터리의 핵심 음극 소재입니다. 전통적인 음극 소재인 흑연보다 에너지 밀도는 2배 이상이지만 무게는 가볍고 출력도 뛰어납니다. 고체 전해질과 조합되면 리튬 덴드라이트의 발생도 억제할 수 있습니다.

트리니티라는 프로젝트명은 삼위일체 개념에서 착안한 것으로 리튬메탈 음극의 개발 과정에서 핵심이 되는 세 가지 기술 요소인 △리튬메탈 추출 △리튬메탈 정제 △리튬메탈 박막 생산을 상징합니다. 세 가지 기술을 통합적으로 구현하는 프로젝트라는 의미에서 캐나다 하이드로퀘벡 측이 이름을 제안해 붙여졌습니다.

현재는 트리니티 프로젝트 1단계로 실험실 수준에서 리튬메탈 음극의 기술 구현은 완료한 상태입니다. 두께 3~15㎛와 폭 300㎜, 길이 200m의 규격의 리튬메탈 음극을 하루 약 5㎏ 정도로 소량 생산 중입니다.

에코프로 관계자는 "배터리 종류에 따라 리튬메탈의 두께 요구사항이 다르지만, 전고체 배터리나 리튬에어 등 차세대 배터리는 3~15㎛ 수준의 얇은 리튬메탈을 선호합니다"라며 "음극이 리튬메탈 덕분에 얇아지면 배터리 전체 크기를 작게 만들 수 있거나 같은 크기에서 양극을 더 많이 넣어 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 됩니다"고 말했습니다.

기존 리튬메탈 제품 중 가장 얇은 것이 50㎛ 수준임을 고려하면, 에코프로이노베이션의 3~15㎛ 초박막 리튬메탈은 세계 최초 수준의 기술력입니다. 올해부터 2027년까지 현재 랩스케일 수준의 생산능력을 프리 파일럿 규모로 확장할 계획입니다.

당장 내년에 캐나다에 황화리튬의 생산을 위한 파일럿 라인을 구축할 예정입니다. 황화리튬은 전고체 배터리의 고체 전해질 원료인데 트리티니 1단계 프로젝트에서 리튬메탈 음극과 황화리튬 양쪽 핵심소재를 동시에 개발해 전고체 배터리 소재 전반의 주도권 확보를 준비하고 있는 것입니다.

2027년부터 2029년에는 트리니티 2단계로 파일럿 규모로 설비를 확장할 계획입니다. 리튬메탈의 폭을 500~1000㎜로 더 넓히고, 길이도 1㎞까지 늘려서 더 큰 크기로, 더 많은 양을 한 번에 연속 생산하는 방향으로 설비를 구축합니다. 현재는 퀘벡주에 위치한 하이드로퀘벡의 연구소를 활용하고 있지만 2단계부터는 별도 부지를 매입해 자체 생산시설을 짓고 생산할 계획입니다.

에코프로 관계자는 "보통은 랩 스케일에서 곧바로 파일럿 단계로 넘어가지만, 트리니티 프로젝트에는 '프리 파일럿' 단계를 추가했습니다"라며 "이는 리튬메탈이 얇고 긴 시트 형태로 연속 생산이 필요한 공정이기 때문에 품질 안정성을 확보하기 위한 것"이라고 설명했습니다.

전고체 배터리 시장의 성장이 예측되는 시점인 2029년부터 2032년까지는 리튬메탈 음극의 대량 공급을 시작한다는 방침입니다. 이어 2032년부터는 생산능력을 본격 확대하는 4단계 로드맵에 따라 시장 수요에 적극적으로 대응한다는 전략입니다.

에코프로이노베이션은 기존 '롤투롤 방식'과 달리 리튬을 도금하듯이 전기화학적으로 증착하는 '전착 방식'으로 리튬메탈을 제조합니다. 이 방식은 결정립의 크기가 크고 구조가 단순해 이온이 보다 원활하게 통과할 수 있습니다. 이온 전도도와 전기 전도도 측면에서 더 우수한 성능을 확보한 것으로 평가됩니다.

하이드로퀘벡과는 이미 4~5년 전부터 연구교류를 해왔습니다. 하이드로퀘벡은 캐나다 퀘벡주의 발전과 송전, 배전을 관리하고 그 일부를 미국 북동부로 수출하는 공익사업체입니다. 우리나라의 한국전력과 역할이 유사합니다.

눈길을 끄는 점은 최근 중국을 중심으로 글로벌 배터리 시장에서 빠르게 확산하는 리튬인산철(LFP) 배터리의 원천 기술을 개발한 회사가 바로 하이드로퀘벡입니다. 세계 최초로 LFP를 개발한 고 존 구드너프 교수가 1980~90년대 하이드로퀘벡 소속으로 연구를 주도했고 이 원천 기술은 이후 미국 A123시스템즈로 이전됐습니다.

당시 A123의 대표였던 중국인 양첸민 박사를 통해 기술이 다시 중국으로 넘어가면서 오늘날 중국 LFP 산업이 폭발적으로 성장하는 계기가 됐습니다. 하이드로퀘벡이 LFP 확산의 기원이자 글로벌 배터리 시장 변화의 흐름을 만든 핵심 연구기관으로 평가받는 이유입니다.

에코프로이노베이션과 하이드로퀘벡의 이번 협업은 각각 상업화와 원천기술 개발에 강점을 가진 만큼 상호 보완적인 협력 구조를 구축한 데 의미가 있습니다. 하이드로퀘벡은 생산보다는 원천기술 개발과 이전에 특화된 공공기관이며, 에코프로는 대규모 생산과 공정 설계를 추진하고 있어 시너지를 극대화하는 형태로 공동 개발에 대한 이해관계가 일치한 것입니다.

에코프로 관계자는 "수산화리튬도 공동 생산하면서 원가 경쟁력을 확보하고 있는 데다 각자의 강점을 살려 상업화와 기술 개발을 동시에 추진하는 구조"라며 "2030년 전후라는 전고체 배터리 시장의 개화에 맞춰 리튬메탈 음극의 대량 공급체계를 선제적으로 완성해 나갈 것"이라고 강조했습니다. 박한나기자 park27@dt.co.kr