솔리드에너지시스템(SES) 본사와 최태원 SK그룹 회장 [SES 제공]

[헤럴드경제=서경원 기자] 미국의 차세대 배터리 기업 SES(Solid Energy System)홀딩스(구 솔리드에너지시스템)가 지난 4일(현지시간) 뉴욕 증시에 상장됐다. SES는 2018년부터 SK그룹의 투자전문회사 SK㈜(대표 장동현)가 투자를 시작한 리튬메탈(Li-Metal) 배터리 제조사다. 이번 상장으로 투자금 대비 여섯배 가량의 수익을 거둔 SK㈜는 이차전지 등 미래사업 부문 투자 실탄을 확보하게 됐다. 지난해 최태원 회장의 동생 최재원 수석부회장이 이차전지 부문 계열사인 SK온의 대표로 선임될 정도로 SK그룹은 배터리 사업을 공격적으로 펼치고 있다.

SK㈜는 지난 2018년 SES에 약 300억원을 투자했으며 지난해에는 400억원의 추가 투자를 단행했다. 이로써 SK㈜는 싱가포르 국부펀드 테마섹(Temasek), 창업자 치차오 후(Qichao Hu) CEO에 이은 3대 주주 지위에 오른 상태다.

2012년 미국 MIT 연구소 스타트업에서 시작한 SES는 싱가포르에 본사를 두고 보스턴과 중국 상해에서 연구소와 시험 생산 시설을 운영하고 있다. SES는 차세대 배터리로 꼽히는 리튬메탈 배터리 시제품 개발에 성공, 독보적인 기술력을 바탕으로 재작년 3월 GM과 공동 연구 계약까지 체결해 상업화에 가장 근접한 차세대 배터리 개발사로 주목받았다. SES와 GM은 미국 보스턴 인근에 2023년까지 리튬메탈 배터리 시험 생산 공장을 설립할 예정이며, 2025년 최종 상용화를 목표로 하고 있다.

리튬메탈은 기존 리튬이온 배터리보다 용량 성능 측면에서 월등하다. 리튬이온 배터리의 음극재로 사용되는 흑연 대비 에너지용량이 10배 정도 크며, 높은 전류량을 송출하고 수용할 수 있는 차세대 음극재 신소재로 꼽힌다. 배터리 부피와 무게는 크게 줄이고 주행 거리는 2배 이상 크게 늘릴 수 있어, 주요 배터리 개발사와 완성차 기업들이 리튬 메탈을 사용한 차세대 배터리 개발을 위해 각축전을 벌이고 있다.

SES의 핵심 경쟁력은 자체 기술개발을 통해 리튬메탈 배터리 개발의 난관으로 지목되는 안전성 문제를 해결했다는 점이다. 리튬메탈은 에너지용량은 높지만 충전 시 리튬이 음극 표면에 쌓여 배터리 성능 저하와 분리막이 훼손까지 야기하는 일명 ‘덴드라이트’(Dendrite) 현상이 발생한다는 단점이 있다.

SES는 리튬메탈에 고체 형태의 폴리머코팅을 입히고 리튬의 덴드라이트 형성을 억제하는 고농도의 전해질을 사용해 안전성 문제를 해결했다. 주요 기업들은 덴드라이트 현상 해결 방안으로 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리 연구도 진행 중이지만, 여러 기술적 난관으로 상용화는 물론 시제품 출시에도 오랜 시간이 걸릴 것으로 예측되고 있다.

SES는 고체보다 구현이 쉬운 액체 전해질과 고체 코팅을 조합한 하이브리드 방식을 먼저 상용화시켜 리튬메탈 배터리 시장에서 우위를 점한다는 전략이다. 이러한 하이브리드 방식을 적용해 성공한 기업은 SES가 처음이다. SES의 리튬메탈 배터리는 전기차 외에도 스마트폰, 드론 등 각종 기기에 적용될 수 있을 것으로 보인다.

SK㈜는 2019년 글로벌 1위 동박(Copper Foil) 제조사인 왓슨(Wason)에 이어 차세대 전력 반도체 등 폭발적으로 성장중인 전기차 소재 사업에 선제적으로 투자해 왔으며, 핵심 배터리 기술 추가 확보를 통해 미래차 소재 시장의 ‘게임 체인저’(Game Changer)로 도약한다는 전략이다.

한편, SK온의 모회사인 SK이노베이션도 차세대 배터리 연구에 박차를 가하고 있다. 미국 조지아 공대 이승우 교수진과 전고체 배터리에 관한 공동 연구를 하고 있다.

전고체 배터리는 현재 배터리에 적용되는 액체 형태 전해질을 고체로 바꾼 배터리를 말한다. 배터리 용량은 늘리면서 무게, 부피, 화재 위험을 현저히 줄일 수 있어 미래 배터리로 각광을 받고 있다. 아직 개발까지 넘어야 할 난제가 많아 ‘꿈의 배터리’로 불리고 있다.

이승우 교수는 KAIST와 공동으로 혁신적인 고무 형태 고분자 고체 전해질을 개발해, 세계적인 학술지인 ‘네이처’지에 지난 13일 논문이 소개되는 등 해당 분야의 석학이다. 이승우 교수가 개발한 고체 전해질은 기존 고체 전해질의 단점으로 꼽히던 이온전도도를 100배나 향상시키면서, 동시에 고무와 같은 신축성까지 확보했다. 이온전도도는 배터리 내부에서 이온이 얼마나 잘 이동할 수 있는지를 말한다.

이온전도도가 높아지면 배터리 내부에서 리튬이온이 빠르게 전달 될 수 있다. 이는 곧 배터리 성능이 좋아지는 것을 의미한다. 또, 고체 전해질 신축성이 뛰어나면, 배터리 내부에서 리튬이 나뭇가지처럼 뾰족하게 자라나는 ‘덴드라이트(dendrite)’로부터 전해질이 손상되지 않아 안전성을 확보할 수 있다.

기존에는 이온전도도와 안전성을 동시에 확보하는 고체 전해질을 구현하는 것이 난제로 꼽혀왔던 만큼 이승우 교수가 개발한 고체 전해질은 혁신적인 연구 성과로 평가 받는다. 이와 같은 기술을 도입하면 한 번 충전으로 현재 500km 가량인 전기자동차 주행거리가 800km까지 가능할 것으로 전망된다.