㈜에스엠랩

에스엠랩, 고용량 배터리 양극재 '단결정 클러스터' 세계 첫 양산 성공   Ni함량 97%…고속 충전에도 출력 특성 16%p 이상 개선 산업통상자원부 국가첨단전략기술 보유 기업 인증    단결정 입자(왼쪽)와 단결정 클러스터 형상 비교   에스엠랩(대표 조재필)은 고속 충전에도 출력 특성이 떨어지지 않는 고용량 배터리 양극재 '단결정 클러스터' 개발에 이어 양산에 성공했다고 27일 밝혔다. 최근 주목받고 있는 고에너지 밀도 원통형 배터리 46시리즈는 단결정 양극재로 원하는 셀 용량을 구현할 수 있다. 하지만 현재 사용하는 4~5마이크로미터(μm) 크기 단결정 양극재는 내구성은 좋지만 출력 특성이 떨어져 고속 충전시 이론용량 만큼의 완전 충전이 어렵다. 배터리 제조사간 이를 해결하기 위한 개발 경쟁이 치열하다. 에스엠랩은 기존 단결정 양극재의 내구성은 유지하면서 출력 특성을 개선한 '단결정 '클러스터'를 개발했다. 2마이크로미터 크기의 단결정 입자 여러 개를 합성하고 여기에 첨가제로 단단히 접착하는 기술을 사용했다. 이어 단결정 클러스터 양산에 성공해 금양에 4695 사이즈 원통형전지 소재로 공급하고 있다.          파우치 형태 리튬이온전지에서 단결정 입자와 단결정 클러스터 출력 비교   단결정 클러스터 적용 배터리셀은 충전 시간을 60분에서 15분으로 줄여도 이론 용량의 86% 이상까지 충전된다. 일반 단결정 소재는 70% 셀용량 유지율에 그쳤다. 고온 압연공정에도 하나의 입자처럼 잘 부서지지 않는다. 에스엠랩은 1, 2공장(연 생산량은 1만800톤)에 이어 올해 2분기내에 3공장(연 3만톤)을 착공할 예정이다. 이 같은 성과로 산업통상자원부 국가첨단전략기술 보유 기업으로 인증받았다. 조재필 대표는 “국가첨단전략기술 보유기업 인증으로 기술개발 역량 강화와 사업 확대에 큰 동력을 확보했다”며 “유관기관과 협력해 기술유출을 예방하고 핵심 기술과 인력 관리도 최고 수준으로 유지할 것”이라 말했다. 에스엠랩은 배터리 분야의 세계적 석학인 조재필 UNIST 에너지화학공학과 교수가 2018년 설립한 UNIST 교원 창업기업이다. 지난해 10월 시리즈 D투자(1300억원)를 받아 누적 투자유치금 2390억을 기록했고 연내 코스닥 상장을 추진하고 있다. 울산=임동식기자 dslim@etnews.com

[오늘의 DT인] 세계 첫 단결정 양극재 개발 석학… "처음엔 `사기`라고 공격받았어요"   연구실에만 갇혀있지말라던  정무영 전 총장 권유에 창업 매순간이 양산 증명의 과정 배터리도 기술특례상장 강조 "기업운영 재밌지만 투자 고민 스트레스, 마라톤으로 풀어요"                        조재필 울산과학기술원 에너지·화학공학부 특훈교수. 조재필 울산과기원 특훈교수…스타트업 '에스엠랩' 대표 "창업 초기 전기차용 배터리의 핵심 소재인 양극재를 하나의 입자(단결정)로 양산한다고 하니까 '사기 치는 거 아니냐'며 공격을 받았어요. 단결정 양산이 가능하다는 것을 세계 처음 증명했을 때 가장 보람을 느꼈죠." 조재필(55·사진) 울산과학기술원(유니스트·UNIST) 에너지·화학공학부 특훈교수는 세계 최초로 단결정 양극재를 개발한 배터리업계 석학이자 이 기술을 기반으로 2018년 7월 16일 '에스엠랩'을 창업한 스타트업 대표다. 지금이야 실험실 창업이 벤처캐피털의 신뢰를 받고 있지만 당시는 그렇지 않았고, 더군다나 국내에 배터리 소재 관련 창업은 거의 없었던 시기였다. 조 교수는 "정무영 전 유니스트 3대 총장님께서 늘 '교수가 논문을 쓰는 것도 중요하지만 무언가에 도전해 호랑이 가죽처럼 남겨야 한다'고 강조하셨다"며 "연구실에만 갇혀있지 말라며 창업을 꾸준히 권유하셨던 게 계기가 됐다"고 말했다. 조 교수는 "당시 전기차용 배터리의 니켈 비중이 80%대에 머물렀는데, 연구실에서 검증을 해보니 97%까지 올라갔다"며 "이 점을 확인하고 창업에 들어갔는데, 이때부터 지금까지 매 순간이 연구실의 연구 결과를 실제 양산으로 증명하는 과정이었다"고 회상했다. 창업 후 첫 목표는 니켈 함량의 82% 조성을 검증하는 것이었다. 이를 위해 학교 실험실 내부에 준양산 라인을 직접 설치해 검증했다. 검증에 성공하고 나서야 2018년도 말 시리즈A의 70억원에 이어 2019년 브릿지 투자 90억원의 투자 유치가 이어졌다 이후 조 교수는 2019년 말 단결정 양극소재의 양산까지 가능하다는 점을 최초로 발견했지만 이 때도 양산 가능성을 증명해야 했다. 당시에도 벤처캐피털 전문가들 모두가 '단결정 장비를 새로 개발해야 한다' 등의 이유로 '양산은 절대 불가능하다'는 시각이 지배적이었기 때문이다. 조 교수는 "약 520억원 규모의 시리즈 B 투자를 받으면서 단결정도 니켈 함량 80% 이상으로 다결정 장비를 이용해 양산이 가능하다는 점을 또 증명해야 했다"며 "규모를 넓혀 학교 밖인 울주군 하이테크밸리에 50톤의 라인을 설치하는 등 증명하고 나니 투자금이 많이 모이기 시작했다"고 말했다. 그가 보유한 세계 최초의 기록은 물을 사용하지 않는 방법의 '무수세 97% 니켈 함유 단결정 양극 소재'의 개발이다. 물을 사용하면 환경오염을 일으키는 폐수량이 많이 나오는 만큼, 물을 사용하지 않는 방식으로 단결정 양극 소재를 저렴한 가격에 양산하는 기술을 실험실부터 준양산까지 독자개발한 것이다. 조 교수는 창업을 해보니 연구실과 준양산, 최종 단계인 양산까지 모두 다른 단계라는 것을 실감했다고 강조했다. 실험실 단계에선 합성 가능 소재의 분말량이 40g만 돼도 성공했다고 평가해주지만, 양산은 최소 수십톤이 필요해 양산까지 수많은 시행착오는 어쩔 수 없는 과정이라는 것이다. 조 교수는 "연구실에서 성공한다고 반드시 양산으로 이어지는 게 아니다"라며 "스케일이 커지면 조정해야 할 변수들이 많이 생기면서 그것을 극복하는데 상당한 시간과 비용, 측정할 수 없는 노력이 들었다"고 했다. 현재 에스엠랩은 시리즈 C까지 1000억원 이상의 투자를 받고, 시리즈 D 투자를 앞둔 상황이다. 글로벌 완성차업체 2개사와 미국의 배터리 스타트업 2개사 이상, 국내 배터리업체로부터 '무수세 97% 니켈 함유 단결정 양극 소재' 샘플을 평가받고 있는 단계다. 샘플 평가 통과를 시리즈 D 투자를 받기 위한 이정표로 삼겠다는 전략이다. 조 교수는 "시리즈를 넘어갈 때마다 마일스톤을 찍어야 하는데, 고객사로부터 샘플 통과라는 시그널을 받는다면 시리즈 D는 어렵지 않을 것"이라며 "전기차 한 대에 양극소재는 연 3만톤 가량이 필요한데, 시리즈 D를 통해 투자받아 현재 연 7000톤 수준인 생산량을 3만톤으로 늘릴 것"이라고 포부를 드러냈다. 그는 창업 투자의 세계를 '별천지'라고 정의했다. 학교에서 논문을 쓸 때와는 다르게 투자의 세계에 발을 담그니 정부부처를 넘어 투자사, 은행, 투자신탁사, 변호사까지 만남의 폭이 상당히 넓어졌다는 것이다. 그는 국내 스타트업의 창업 생태계를 아쉬운 점으로 꼽았다. 미국은 대학교를 중심으로 창업기업들이 나오는 반면 국내는 대기업이 산업을 이끄는 톱다운 방식이 주를 이루는 데다 국내 배터리 관련 스타트업은 5개 내외라는 것이다. "한국에서 배터리 스타트업들이 많이 나왔으면 하는 게 저의 바람"이라며 "상하 관계로 움직일 수밖에 없는 게 국내의 산업구조지만, 수평적인 관계에서 협력하는 방향으로 움직여야 하고, 그게 되려면 정부나 기업들이 뒷받침을 해줘야 된다"고 강조했다. 그러면서 "한국거래소에서 기술 특례 상장 트랙을 운영 중이지만, 바이오 기업을 타깃으로 하고 있고 심지어 여러 문제가 생기니 이마저도 허가를 안 해준다"며 "배터리는 공장을 먼저 지은 후 매출이 나오는 수순이어서 업의 특성을 감안해 기술 특례 상장의 허가를 내줬으면 한다"고 했다. 마지막으로 그는 기업 운영 과정에 대해 "정말 재미있다"면서도 "스트레스는 많이 받는다"고 웃었다. 그는 "스타트업은 투자받아 사업을 영위하다 보니 돈이 없으면 운영이 되지 않는 게 가장 스트레스"라고 했다. 이어 "우연한 기회에 마라톤을 하게 돼 현재 마라톤 동호회 회장"이라며 "새벽에 마라톤을 뛰게 되면서 체력을 유지했고, 머릿속에 그날 해야 할 일, 기존에 했는데 문제가 되는 일, 다음 할 일 등이 머릿속에 정리가 된다. 마라톤을 스트레스 해소법으로 추천한다"고 말했다.   박한나 기자(park27@dt.co.kr)

조재필 대표 “배터리 스타트업, 기술 있어도 자생 어려워” [이코노 인터뷰]   [흔들리는 K-배터리]④ 조재필 에스엠랩 대표 단결정 건식 공정…양극재 분야 ‘다크호스’ 2030년까지 세계 양극재 시장 30% 이상 점유 목표 조재필 에스엠랩 대표. [이건엄 기자] [이코노미스트 이건엄 기자] 전기차와 에너지저장장치(ESS) 시장의 급부상으로 전 세계의 중심에 선 K-배터리. 하지만 K-배터리의 풀뿌리라 할 수 있는 스타트업이 자생하는 환경은 너무나도 열악하다. 1월 30일 울산에서 만난 조재필 에스엠랩 대표도 우수한 기술을 보유하고 있는 국내 스타트업이 꽃을 피우기 위해선 적절한 투자와 지원이 필요하다는 의견을 내놨다. 조 대표는 “불확실성이 커질수록 독보적인 기술력이 해답이 될 수 있다”면서도 “다만 기술력에 걸맞은 생산능력이 뒷받침되어야 한다”고 설명했다. 이어 “에스엠랩 역시 기술력은 확보돼 있지만 생산능력에서 유력 경쟁사에 크게 밀린다”며 “결국 기술력을 실현할 수 있는 생산능력이 동반돼야만 하고 이는 투자를 통해서만 가능하다”고 강조했다. 또한 “문제는 기술만 있다고 투자가 자연스레 따라오지 않는다”며 “매출이 발생해야만 투자를 유치할 수 있는데 기술만 가진 스타트업 입장에선 난제일 수밖에 없다”고 덧붙였다.  투자 유치액 1000억원에 달하지만 IPO 실패 조재필 울산과학기술원(UNIST) 특훈 교수가 지난 2018년 설립한 에스엠랩은 니켈 함량 98% 이상인 니켈·코발트·망간(NCM) 양극재를 개발해 업계의 주목을 받았다.  통상 물로 리튬 불순물을 씻어내는 수세 공정을 통해 제작되는 NCM은 니켈 비중을 94%까지 밖에 끌어올리지 못해 에너지밀도를 높이는 데 어려움이 있었다. 특히 양극재 제작 과정에서 다량의 폐수가 발생하는 부작용도 컸다. 에스엠랩은 단결정 건식 공정 도입을 통해 니켈 비중을 크게 끌어 올림과 동시에 폐수 문제까지 해결하며 양극재 시장의 ‘다크호스’로 자리 잡았다. 하지만 외부 투자가 발목을 잡았다. 기업공개(IPO)에 난항을 겪으며 추가 설비 확보에 차질이 빚어진 것이다. 원가 비중이 높은 양극재의 경우 대량 생산을 통한 ‘규모의 경제’가 실현되지 않으면 생존이 어렵다.  실제 에스엠랩은 창업 후 지금까지 1000억원 정도의 투자 유치에 성공했고, 이를 바탕으로 지난해 7월 거래소에 기술특례제도를 바탕으로 상장 예비심사를 신청하며 IPO를 본격화했다. 하지만 거래소 측이 설비투자를 위한 자금조달 계획이 불안하다는 판단을 내리면서 에스엠랩은 결국 상장 심사를 철회했다. 기술특례상장제도는 전문평가기관으로부터 일정 수준 이상의 기술평가등급을 받거나 상장주관사의 추천을 받은 기술성장기업에 대해 일반상장보다 완화된 재무 관련 요건으로 상장을 허용하는 제도다. 스타트업의 경우 기술 개발 완수까지 장기간의 연구개발(R&D)이 필요하고 이것이 매출과 수익으로 이어지는데도 상당한 시간이 소요된다는 점을 고려해 금융당국이 지난 2005년 특례상장 제도를 도입했다.   울산 울주군 삼남읍 가천공단에 위치한 에스엠랩 본사 전경. [이건엄 기자] K-배터리 경쟁력 여전히 유효 조 대표는 스타트업이 살아남기 위해선 외부 투자와 함께 정부와 지방자치단체의 지원도 필수라고 봤다. 현재의 지원책에 대해선 까다로운 기준과 좁은 지원 범위가 아쉽다는 의견을 남겼다. 그는 “에스엠랩만 보더라도 3공장을 신설하려면 1000억 단위가 넘어가는 자금이 필요하다”며 “이 경우 정부와 지자체가 협의해 지원금이 어느 정도 나오는 걸로 알고 있다”고 설명했다. 이어 “사기업에 대한 지원은 상대적으로 기준이 까다롭고 범위도 좁을 수밖에 없다”며 “정부 지원이 확대되면 좋지만 쉽지는 않을 것으로 본다”고 설명했다. 조 대표는 인재 확보에도 어려움이 많다고 지적했다. 정부와 대기업이 주도하는 인재 육성 정책을 스타트업을 비롯한 중소기업이 체감하기 어렵다는 설명이다. 그는 “정부와 대기업이 주도하고 있는 배터리 인재 육성 정책은 지방과 중소기업 입장에선 체감하기 어렵다”며 “인재 대부분이 대기업을 선호하다 보니 인력난에 시달릴 수밖에 없다”고 설명했다.   하이망간 양극재 전자주사현미경 사진. [사진 에스엠랩] 조 대표는 인플레이션감축법(IRA) 등 변수가 많지만 여전히 K-배터리의 경쟁력이 높다고 봤다.  그는 “많은 배터리 업체도 소재 기술력을 키우고 있다”며 “이러한 점을 감안하면 K-배터리의 경쟁력은 충분하다고 본다”고 설명했다. 이어 “전기차 배터리의 경우 중국 내에서는 경쟁이 힘들겠지만 유럽과 미국 시장이 워낙 크다 보니 이쪽을 타깃으로 하면 승산이 있다고 본다”며 “전략적으로 잘 접근하면 향후 K-배터리가 충분히 살아남을 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 다만 중국에 상당 부분 의존하고 있는 원자재에 대해선 적극적으로 공급처 다변화 전략을 써야 한다고 제언했다. 실제 전국경제인연합회에 따르면 한국은 배터리 분야에서 지난 2020년 기준 무려 93.3%의 대 중국 수입의존도를 기록했다. 이는 일본의 66.1%, 미국의 43.4%에 비해 1.4배~2.2배 높은 수준이다. 조 대표는 “주요 원자재 상당 부분을 중국에 의존하고 있는데 IRA 등 변수를 고려했을 때 다변화가 필요하다”며 “실제 에스엠랩과 거래하고 있는 한 중국 업체의 경우 최근 춘절과 코로나 등 여러 이유로 대응이 어렵다”고 말했다. 끝으로 조 대표는 에스엠랩의 향후 계획을 전했다. 가장 큰 숙제인 IPO 문제를 해결하고 글로벌 양극재 시장에서 괄목할만한 성과를 낸다는 설명이다. 그는 “현재 가장 큰 문제는 자금”이라며 “이는 빠른 기업공개와 대규모 자금을 투자받아 해결해야 될 것으로 본다”고 말했다. 이어 “에스엠랩은 현재 보유하고 있는 생산능력 7200t을 기반으로 매출을 발생시킨 뒤 재상장에 도전할 수 있을 것 같다”며 “현재 진행되고 이는 고객사와 평가를 빨리 받아 시리즈D를 통해 투자받으려고 한다”고 설명했다. 또 “2030년까지 세계 양극재 시장의 30% 이상을 점유한다는 목표는 여전히 유효하다”고 덧붙였다.

2차전지株 흥행 이어갈까…에스엠랩 코스닥 상장 착수   거래소에 예비심사 청구…4분기 공모 예정 단결정 양극재 세계 최초 개발…예상 몸값 약 7000억 거론 다올·SV인베스트먼트 등 투자사 `짹팟`    망간과 니켈로만 구성된 '단결정 양극재'를 세계에서 처음으로 개발한 스타트업이 코스닥 상장에 나선다. 4년 전 설립된 유니스트(UNIST) 창업 기업 '에스엠랩'이 그 주인공이다. 성일하이텍, 새빗켐 등 2차 전지 기업들의 공모 흥행 릴레이를 이어갈 지 주목된다. 28일 투자은행(IB) 업계에 따르면 에스엠랩은 지난 27일 한국거래소 코스닥시장본부에 상장 예비심사를 청구했다. 총 2731만5334주를 상장하며 공모 물량은 이 중 약 14%로 예정돼 있다. 올 4분기께 공모에 나서는 것이 목표다. 한국투자증권과 NH투자증권이 대표 주관사다. 에스엠랩은 조재필 유니스트 에너지화학공학과 교수가 지난 2018년 창업했다. 2차 전지의 4대 소재 중 하나로 꼽히는 양극재(양극활물질)를 만든다. 양극재는 배터리 가격의 약 40%를 차지할 만큼 중요도가 높다. 니켈 함량이 80% 이상인 NCM(니켈·코발트·망간)과 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등이 주로 사용돼 왔다. 최근엔 LFP(리튬·인산·철)의 탑재 빈도가 늘어나는 추세다. NCM과 NCA에 포함된 코발트 가격이 니켈보다 두 배나 비싸기 때문이다. 테슬라 역시 기본형 모델에 LFP를 탑재한 바 있다. 에스엠랩은 세계 최초로 망간과 니켈로만 구성된 '단결정 양극재'를 개발했다. 단결정 양극재란 값비싼 코발트를 최소화하고, 망간과 니켈을 3대1의 비율로 조합한 양극재를 뜻한다. LFP 대비 에너지 밀도가 2배 이상 높고 가격 경쟁력이 뛰어나다는 장점이 있다. 양극재의 형상과 구조를 변화시켜 배터리 수명을 기존 대비 30% 가량 향상시키기도 했다. 에스엠랩은 기술력을 내세워 글로벌 완성차 업체들과 공동개발 계약을 체결한 바 있다. 완성차 기업들이 배터리 개발을 내재화하고자 하는 의지가 강하기 때문이다. 조재필 에스엠랩 대표는 지난 연초에 "경쟁사 대비 2년 앞서 LFP를 대체하는 양극재 개발을 세계 최초로 성공했다"면서 "해외 고객사와 양산 검증을 거쳐 올 4분기부터 전기차용 배터리 실증 테스트를 계획하고 있다"고 밝힌 바 있다.   에스엠랩은 다수의 벤처캐피털로부터 약 1000억원 가량의 누적 투자금을 유치했다. 마지막으로 자금을 유치한 건 지난해 12월이다. 기존 투자자인 다올인베스트먼트(옛 KTB네트워크), SV인베스트먼트, 뮤렉스파트너스 뿐 아니라 KDB산업은행과 KT&G 등이 추가로 참여했다. 당시 에스엠랩은 450억원 자금을 유치하며 약 4000억원의 기업가치를 인정받은 바 있다. 투자금은 양극소재 생산 공장 증설에 집중적으로 쓰였다. IB업계에서 거론되는 에스엠랩의 예상 몸값은 약 7000억~8000억원 수준이다. 수주물량을 충분히 확보한 만큼, 금년도 반기 실적을 반영한 뒤 공모를 진행할 가능성이 높다. 2차 전지 공모 기업들이 연이어 흥행에 성공한 점도 호재다. 폐배터리 재활용 업체 성일하이텍과 새빗켐 모두 뜨거운 인기 속에 공모가를 희망 범위보다 높게 책정했다. [강우석 기자] 매일경제

15분 만에 전기차 충전 … 고속충전용 단결정 소재 개발   UNIST 에너지화학공학과 특훈교수 조재필 에스앰랩 대표. 전기자동차(EV) 배터리를 15분 만에 충전할 ‘양극 소재’ 기술이 나왔다. 기존 음극 소재를 그대로 쓰면서 고속충전에 따른 수명 저하도 줄일 수 있는 획기적 방식이다.   UNIST 교원창업기업인 에스엠 랩(SMLAB)이 리튬이온 배터리의 고속충전 특성을 개선할 수 있는 ‘단결정 양극 소재’ 기술을 개발했다. 양극 소재의 형상과 표면구조를 변화시키는 것만으로도 수명 특성이 30% 이상 향상됐다. 소재는 현재 고객사 검증을 완료해 에스엠 랩의 양산로에서 시범 생산 중이며 샘플 매출도 발생하고 있다.   전기자동차(EV)에 사용 중인 리튬이온 배터리에 급속 충전을 반복하면 양극과 음극에서 부반응이 일어나 수명이 저하된다. 급속 충전 시 리튬이온은 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고 전해액과 반응해 손실된다. 양극에서도 빠른 속도로 리튬이온이 드나들게 되는데 이런 충·방전이 반복되면 부피가 팽창하면서 양극 구조를 붕괴해 리튬이온 출입을 어렵게 만든다. 이런 문제들은 결국 배터리 셀(cell) 온도를 높이고 전해액과 양극과 음극의 소재 표면에서 분해도 가속화되므로 수명 저하로 이어지는 것이다. 문제를 해결하는 기술로는 주로 음극 소재의 개선이 제안됐다. 흑연 대신 리튬을 사용하거나 흑연과 실리콘을 사용해 충전 시간을 단축하려는 시도였다. 리튬이온이 이동하는 속도가 흑연보다 리튬금속이나 실리콘에서 더 빠르기 때문이다. 에스엠 랩에서 개발한 고속충전 기술은 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속충전 특성을 획기적으로 개선했다. 개발한 양극 소재는 니켈(Ni) 97%, 코발트(Co) 2% 미만 함량의 단결정 NCA(M) 소재(NiCoAlMn)다.   Ni97% NCA(M) 단결정 소재의 주사전자현미경 사진. 조재필 에스엠 랩 대표는 “기존에 사용되는 고속충전용 양극 소재는 다결정이고 니켈 함량이 80% 정도에 비싼 코발트 함량이 5% 이상”이라며 “니켈 함량을 97%까지 높이고 코발트 함량은 2% 미만으로 줄여 가격경쟁력을 높인 단결정 양극 소재는 이번에 처음으로 보고됐다”고 말했다. 에스엠 랩은 자체 운용 중인 파우치형 리튬이온 배터리 제조설비를 이용해 고속충전 평가를 진행했다. 양극은 187Wh/kg의 에너지 밀도를 가지는 1Ah 셀로 단위면적당 용량 4.07mAh/㎠, 25℃ 조건을 주고 음극에는 흑연만 사용했다. 그 결과 15분 동안 충전(90%)과 방전(0%)을 300회 반복한 뒤에도 수명 특성이 85%까지 유지됐다. 반면 동일한 조성의 다결정 소재는 225회 충·방전 반복 시 수명 유지율이 40%로 급격히 저하됐다.   Ni 97% NCA(M) 소재의 15분 급속 충전 시 수명 유지율 비교. 결과로 다결정 소재에 빠른 속도로 리튬이온이 들어가고 나오면서 다결정의 표면구조 붕괴가 가속화됨을 알 수 있다. 다결정 구조는 수백 나노미터 크기의 작은 입자가 뭉쳐 큰 입자 하나를 구성하므로 빠른 속도로 리튬이온이 드나들 때 표면구조가 무너지면서 뭉쳐진 입자도 깨트리게 되는 것이다.   단결정 소재와 다결정 소재의 압연 시 비교. 조재필 대표는 “고속충전 시 배터리의 수명 개선을 위해 양극 소재의 형상을 ‘단결정’으로 만들고 높은 전류가 걸릴 때 발생하는 높은 저항 문제는 망간 원소(Mn)와 극소량의 첨가제들을 도핑해 완전히 극복했다”며 “특히 단결정 표면에서 리튬이온이 최대한 많이 이동하도록 특정 결정면 방향으로 향하게 한 부분은 양극의 형상과 표면구조가 고속 충·방전 특성에 영향을 미친다는 것을 보여준다”고 말했다. 에스엠 랩은 2018년 7월 UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수가 창업했다. 회사는 니켈 함량 80% 이상의 NCM(A)과 NCA를 수세 공정 없이 단결정 형태로 양산하는 기술을 보유하고 있다. 또한 니켈 함량 94% 이상 소재의 현재 연간생산량은 7200t인데 앞으로 2만1600t 증설해 2023년까지 2만8800t까지 생산할 계획이다. 아시아경제 영남취재본부 황두열 (bsb03296@asiae.co.kr)

UNIST 교원창업기업, 전기차 고속충전용 단결정 소재 개발 배터리 수명 저하 개선…기존 다결정 소재보다 수명 30% 이상 향상   에스엠랩이 개발한 단결정 소재의 주사전자현미경 사진. [에스엠랩 제공. 재판매 및 DB 금지] (울산=연합뉴스, 김용태 기자) 울산과학기술원(UNIST) 교원창업기업인 에스엠랩(SMLAB)은 전기자동차의 배터리를 고속 충전하면서 수명 저하도 줄일 수 있는 '단결정 양극 소재' 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 에스엠랩에 따르면 전기자동차에 사용 중인 리튬이온 배터리에 급속 충전을 반복하면 양극과 음극에서 부반응이 일어나 수명이 저하된다. 지금까지 이를 해결하는 기술로는 주로 음극 소재 개선이 제안됐는데, 흑연 대신 리튬을 사용하거나 흑연과 실리콘을 사용해 충전 시간을 단축하려는 시도였다. 리튬이온이 이동하는 속도가 흑연보다 리튬 금속이나 실리콘에서 더 빠르기 때문이다. 에스엠랩이 개발한 고속 충전 기술은 음극에 흑연을 그대로 사용하면서도 양극 소재의 형성과 표면 구조를 변화시켜 고속 충전 특성을 획기적으로 개선했다. 개발된 양극 소재는 니켈 97%, 코발트 2% 미만 함량의 단결정 소재다. 기존에 사용되던 다결정 소재 대비 수명 특성이 30% 이상 향상됐다고 에스엠랩은 설명했다. 에스엠랩이 자체 운용 중인 파우치형 리튬이온 배터리 제조 설비를 이용해 고속 충전 평가를 진행한 결과 15분 동안 충전(90%)과 방전(0%)을 300회 반복한 뒤에도 수명 특성이 85%까지 유지됐다.   단결정 소재와 다결정 소재의 15분 급속 충·방전 반복 시 수명 유지율. [에스엠랩 제공. 재판매 및 DB 금지] 반면 동일한 조성의 다결정 소재는 225회 충·방전 반복 시 수명 유지율이 40%로 급격히 저하됐다. 에스엠랩 조재필 대표는 "고속 충전 시 배터리의 수명 개선을 위해 양극 소재의 형상을 단결정으로 만들고, 높은 전류가 걸릴 때 발생하는 높은 저항 문제는 망간 원소와 극소량의 첨가제들을 도핑해 완전히 극복했다"고 말했다. 이어 "특히 단결정 표면에서 리튬이온이 최대한 많이 이동하도록 특정 결정면 방향으로 향하게 한 부분은 양극의 형상과 표면 구조가 고속 충·방전 특성에 영향을 미친다는 것을 보여준다"고 덧붙였다. 에스엠랩은 개발한 소재를 고객사 검증을 완료하고 시범 생산 중이다. 에스엠랩은 2018년 7월 UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수가 창업했다. yongtae@yna.co.kr

에스엠랩, 리튬인산철 소재 대체 가능한 배터리 양극재 개발 성공···에너지밀도 2배 이상 ​ 망간산화물계 단결정 소재 기술 개발·준양산 검증 완료 LFP소재, 기존 배터리소재, 개발한 소재 간의 특성 비교. /제공=UNIST [서울경제] 배터리 양극재는 전체 배터리 가격에서 35% 이상을 차지할 정도로 고가다. 이 때문에 전기차 가격경쟁력을 위해서는 이를 대체할 소재 개발이 필수적이다. 테슬라가 지난해 기본형 모델 전기차에 LFP(리튬인산철 소재, ㎏당 가격이 11.3달러로 기존 배터리 소재인 NCM811 대비 2.7배 저렴함) 배터리를 탑재하겠다고 밝힌 것도 이 같은 맥락이다. LFP 양극재는 기존 전기차 배터리 양극재 보다 소재 가격이 3배 가까이 싸기 때문이다. 하지만 실제로 LFP를 쓴 배터리 가격은 기존 소재를 쓴 배터리 가격 보다 약 20% 정도만 저렴하다. 이 소재는 에너지 밀도가 낮은 특성 때문에 더 많은 양을 써야 기존 소재와 동일한 수준의 배터리 용량을 맞출 수 있기 때문이다. 울산과학기술원(UNIST)은 이 대학 에너지화학공학과의 조재필 특훈교수가 창업한 에스엠랩(SMLAB)이 값싼 망간과 니켈로만 구성된 단결정 양극재를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 기존 양산형 배터리에 쓰는 LFP 소재보다 에너지밀도를 2배 이상 증가시켜, 더 적은 양을 써도 동일한 거리를 갈 수 있는 용량의 전기차 배터리를 만들 수 있다. 값싼 망간과 니켈이 3대 1의 비율로 섞인 소재로 값비싼 코발트의 함량은 0이다. 자체 개발한 입자 성장 촉진제를 소량 첨가해 마이크로미터 수준으로 입자 하나의 크기를 키우는 데 성공했다. 에너지 밀도를 높이기 위해서는 입자 하나의 크기를 적당히 키워야 하는데, 일반적으로 망간 함유량이 높아지면 입자 크기를 키우기 힘들다. 망간계 소재는 2010년대에 상용화 개발을 진행했으나, 단일 입자가 300나노미터(nm) 이하의 다결정형태로만 만들어져 상용화에 어려움이 있었다. 또 망간계 전극 소재의 문제점인 낮은 출력 특성은 전도성 코팅을 독자 개발해 극복했다. 이 소재는 고온에도 강하다는 장점도 있다. 조재필 대표는 “경쟁사 대비 2년 앞서 LFP 대체재 양극재 개발을 세계 최초로 성공한 것”이라며 “해외 고객사와 양산 검증을 거쳐 2022년 4분기부터 EV용 배터리 실증 테스트를 계획하고 있다”고 밝혔다. LFP 배터리는 그 간 중국이 주도해 왔지만, 테슬라 외에도 포드, 폭스바겐 등이 전기차에 LFP 배터리 탑재를 검토함에 따라 LG에너지솔루션, SK온 등 국내 배터리사도 이에 뛰어들고 있다. 하지만 LFP 소재는 소재 특성상 그 입자를 수백나노 크기로 작게 만들어야만 배터리 전극 소재로 쓸 수 있다. 입자 크기가 작아지게 되면 입자간의 못 쓰는 공간이 많아져서 똑같은 통에 담았을 때 더 적은 양을 담을 수밖에 없고, 단위 부피당 용량인 에너지 밀도가 떨어지게 된다. 한편, 에스엠랩은 2018년 7월 창업한 스타트업으로, 니켈 함량 83% 이상의 양극재인 NCM(A)와 NCA를 수세 공정 없이 단결정형 분말로 양산화하는 기술을 보유하고 있다. 최근에는 니켈함량 98% 이상인 NCM 단결정 양극소재의 양산화에 성공했다. 지난해 12월에 450억원의 시리즈 C (Pre-IPO) 투자자금을 유치했고, KTB 네트워크, 위드원 인베스먼트, KDB 산업은행, KT&G, 한양증권, SV 인베스먼트, 동유, 뮤렉스파트너스등이 투자자로 참여했다. 현재까지 누적 투자유치금은 1,090억원이고 올 7월에 코스닥 상장을 준비 중이다. ​울산=장지승 기자(jjs@sedaily.com)

 관련 사이트 :  https://www.youtube.com/watch?v=8N2tgCEQHeI   리튬이온 배터리 한계는 어디? 양극재 권위자가 말하는 소재 기술 과제    01:11 에스엠랩에 대해서  03:06 배터리 핵심소재 '양극재'  04:12 다결정 및 단결정 양극 소재의 차이점  06:40 Ni98 NCMA, 에스엠랩 핵심기술 공정  08:26 에스엠랩 생산 캐파와 IPO 계획  13:09 전고체 배터리에 대해서  19:21 LPF(리튬인산철) 배터리와 NCM(니켈,코발트,망간) 배터리  22:47 하이망간 양극재

[소부장 유망기업탐방] "하이니켈 끝판왕 도전"…에스엠랩, '中·日 못 한' 차세대 양극재 개발   삼성전자 SK하이닉스 삼성디스플레이 LG디스플레이는 세계 반도체·디스플레이를 주도하고 있다. 하지만 이를 만들기 위한 소재·부품·장비(소부장)는 해외의존도가 높다. 지난 10여년 줄곧 지적했던 문제다. 일본 수출규제는 한국 기업의 약점을 부각했다. <디지털데일리>는 소부장 육성을 위해선 무엇이 필요한지, 우리 기업은 어떤 노력을 하고 있는지 등 유망기업을 만나 현장의 목소리를 들어봤다.<편집자주> [디지털데일리 김도현 기자] 전기차 및 에너지저장장치(ESS) 산업이 급성장하는 가운데 국내 배터리 3사가 고군분투하고 있다. 중국 일본 등과 ‘삼국지’를 형성했다. 다만 세계적인 배터리 기술에도 소재 생태계가 경쟁국 대비 떨어진다는 평가다. 자체 공급망을 확보하지 않으면 향후 시장 확대 과정에서 뒤처질 가능성이 크다. 최근 긍정적인 분위기도 감지된다. 양극재 분리막 등 핵심 소재 분야에서 두각을 나타내는 한국 기업이 등장한 덕분이다. 특히 배터리 원가 40% 내외를 차지하는 양극재 업체가 힘을 내고 있다. 차세대 제품 개발에 성공한 에스엠랩도 그중 하나다. 에스엠랩은 지난 2018년 7월 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 조재필 교수가 창업한 업체다. 양극재의 경우 원가 비중이 높아 규모의 경제가 갖춰지지 않으면 사업을 운영하기 쉽지 않다. 에스엠랩은 후발주자지만 기존 업체와 차별화된 제품으로 시장 공략에 나서고 있다. 지난달 29일 에스엠랩 울산 본사에서 만난 조 대표는 “대기업이 주도하는 분야를 스타트업도 할 수 있다는 걸 보여주고 싶다. 연구개발(R&D) 및 경영기획 등 인력을 지속 보강 중”이라고 말했다. 에스엠랩은 니켈 함량 98% 양극재를 개발하면서 업계의 주목을 받았다. 현재 대세인 제품은 니켈·코발트·망간(NCM) 양극재다. 이 가운데 니켈이 많을수록 에너지밀도가 높아져 배터리 용량을 늘릴 수 있다. 양극재 업체들은 니켈 함량 80% 이상 하이니켈 제품을 연이어 개발 및 생산 중이다. 니켈 비중을 계속 높이고 있으나 94%가 한계로 꼽혀왔다. 양극재는 리튬과 전구체(니켈 등으로 이뤄진 양극재 원료)를 혼합해 만들어진다. 합성할 때 소재 표면에 남아있는 리튬 불순물 등을 물로 씻는 수세 공정을 거친다. 이 과정에서 다량의 원소가 물에 녹아 니켈 함량을 높이는 데 걸림돌이 됐다. 에스엠랩은 습식 제조 공정을 건식으로 바꿔 해당 문제를 해결했다. 조 대표는 “양극 소재는 태생적으로 물에 약하다. 건식으로 하면 수세 공정을 뺄 수 있어 원료 손실을 최소화할 수 있다. 폐수 처리 비용 등도 사라지는 셈”이라고 설명했다.   또 다른 특징은 양극재 구조를 다결정에서 단결정으로 변경한 부분이다. 기존 양극재는 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 다결정 형태다. 배터리 전극 공정에서 압연이라는 단계가 있다. 압연은 양극 소재가 코팅된 알루미늄판을 회전하는 롤 사이로 통과시켜 일정한 두께의 판으로 만드는 과정이다. 이때 결정체가 부서지면서 그 사이로 이물질이 들어가거나 밀도가 낮아지는 현상이 발생한다. 가스 발생이 늘고 충방전 주기에도 영향을 준다. 에스엠랩의 단결정 양극재는 관련 이슈가 없다. 조 대표는 “전반적인 추세가 다결정에서 단결정으로 가고 있다. 공정 자체는 비슷한데 소성 온도, 조성비 등이 핵심”이라면서 “(우리가) 단결정 특허 10건 정도 등록했기 때문에 시장 선점에 유리할 것”이라고 강조했다. 에스엠랩은 설립 이후 600억~700억원 규모 투자를 받았다. 이를 통해 울산 1~2공장(생산능력 600톤)을 구축했다. 추가 투자를 통해 최대 1500톤 규모 3공장도 지을 예정이다. 본사 맞은 편에 부지는 확보했다. 현재는 국내외 고객사에 샘플을 보내고 있다. 국내 S사에 니켈 83% NCM 양극재, 해외 C사에 니켈 91% NCA 양극재 등을 테스트 받는 중이다. 내년부터 납품이 본격화할 것으로 기대된다. 조 대표는 “우선 ESS부터 고객사와 거래를 튼 뒤 전기차로 넘어가는 수순일 것”이라며 “기존 플레이어 대비 자본 등이 부족해 생산능력 확보하기가 쉽지 않다. 추가 투자와 내년부터 발생할 매출을 바탕으로 생산능력을 늘리는 게 관건”이라고 언급했다. 에스엠랩은 중저가 제품은 하이망간 양극재도 준비 중이다. 상대적으로 가격이 비싼 니켈과 코발트를 빼고 망간 비중을 늘려 만든 제품이다. 기존 양극재 대비 리튬양 1.4배 증가해 에너지밀도 하락을 최소화한다. 한편 회사는 내년 기술특례상장을 목표로 하고 있다. 생산능력 확대를 위한 투자금 마련 차원이다. 같은 맥락에서 합작사(JV) 설립, 위탁생산 등도 고려 중이다.   김도현(dobest@ddaily.co.kr)

에스엠랩, 세계 최초 '98% 하이니켈 양극재' 개발 값비싼 코발트 1%로 줄이고 니켈 함량 98%까지 끌어올려 전기차 배터리 용량 16% 증가 전기자동차 배터리(리튬이온 2차전지) 핵심 소재인 양극재 성능을 한계치까지 끌어올린 연구 성과가 나왔다. UNIST(울산과학기술원)는 조재필 에너지화학공학과 특훈교수(사진)가 니켈 함량을 98%까지 높인 ‘하이니켈 양극재’ 개발에 성공했다고 18일 발표했다. 전기차 가격을 낮추면서 주행거리는 늘리는 원천기술이다. ‘마(魔)의 벽’으로 불리던 니켈 함량 94%를 돌파한 세계 최초 사례다. 실험실 수준을 넘어 상용화 직전까지 기술이 완성돼 이르면 내년 상반기 양산도 가능하다는 평가다.    전기차 값 낮추고 주행거리 늘리고 2차전지는 양극재(양극활물질), 음극재(음극활물질), 리튬이온 이동 통로인 전해질, (양극과 음극 간) 분리막 네 가지로 구성된다. 높은 전압을 견뎌야 하는 양극재는 2차전지 가격의 40%가량을 차지하는 핵심 소재다. 양극재엔 니켈 함량이 80% 이상인 NCM(니켈·코발트·망간), NCA(니켈·코발트·알루미늄) 복합재가 주로 쓰인다. 비싼 코발트 함량을 최소화하는 게 관건이다. 코발트 가격이 니켈의 두 배쯤 된다. 업계에 따르면 양극재 글로벌 수요는 지난해 60만9000t에서 2030년 629만8000t으로 10배 이상 증가할 것으로 예상된다. 조 교수가 창업한 스타트업 에스엠랩은 코발트 함량을 1%까지 줄이고 니켈 함량을 98%까지 끌어올린 하이니켈 양극재를 세계 최초로 개발했다. 조 교수는 “전기차 배터리에 통상 들어가는 양극재 양이 100㎏인 점을 고려하면 용량이 1600Ah 늘어나 그만큼 주행거리 증대로 이어질 수 있다”고 설명했다. 주행거리 증가율은 15~16%, 배터리 생산비용 절감률은 20%로 예상했다. 용량이 늘어나는 만큼 충전·방전 횟수가 많아져 배터리 수명이 감소하는 문제를 상당 부분 해소하는 기술도 확보한 것으로 알려졌다. 양극재는 합성할 때 소재 표면에 있는 리튬을 물로 씻어 제거하는 공정이 필요하다. 이 과정에서 다른 필수 원소까지 씻겨나가 성능이 저하되는 문제가 있는데 이를 해결한 것이다.    ‘가보지 않은 길’ 열었다 98% 하이니켈 양극재는 국내외 어느 기업도 극복하지 못한 기술적 한계를 돌파했다는 데 의미가 있다. 국내 배터리 3사(삼성SDI, LG에너지솔루션, SK이노베이션)는 지난 6월 산업통상자원부와 한국전지산업협회가 연 ‘더 배터리 콘퍼런스’에서 이론적으로 양산 가능한 양극재 니켈 함량을 94%로 제시했다. 조 교수는 “해외 한 자동차 기업에 직접 납품하는 방안을 검토 중”이라고 밝혔다. 내년 1분기 상용화를 목표로 하고 있다. 현재 하루 20㎏ 수준인 생산능력을 2023년 7월까지 연 2만1600t으로 늘릴 계획이다. 삼성SDI 책임연구원 출신인 조 교수는 2014년부터 ‘삼성SDI-UNIST 미래형 2차전지 연구센터’를 이끌고 있다. 에스엠랩은 조 교수가 2018년 7월 설립한 스타트업이다. 하이니켈 양극재를 단결정으로 생산하는 원천기술을 세계에서 유일하게 갖고 있다. 상용 양극재는 여러 금속 입자가 뭉쳐진 다결정 상태로 존재하는데, 이는 셀(cell) 형태 공정 과정에서 깨지거나 불순물이 생기기 쉽다. 단결정 양극재는 이런 단점이 없다. 다결정보다 배터리 수명을 최대 30%가량 늘리는 것으로 알려져 있다. 에스엠랩은 지난해까지 한국투자파트너스, 스틱벤처스 등으로부터 640억원을 투자받았다. 최근 450억원의 상장 전 자금유치(프리-IPO)를 성사시켰다. 내년 7월 기술특례로 상장할 예정이다. 주관사는 NH투자증권, 한국투자증권이다. 98% 하이니켈 양극재 개발로 당장 국내 시장 지각변동도 예상된다. 현재 하이니켈 양극재 시장을 양분하고 있는 기업은 에코프로비엠과 엘앤에프다. 이들 기업은 아직 니켈 함량이 90% 이상인 양극재 양산에 이르지 못했다. 에코프로비엠은 SK이노베이션과 손잡고 양극재 니켈 함량을 94%까지 높이는 연구를 하고 있다. 이해성 기자 ihs@hankyung.com