<2026> 이차전지 무음극(Anode free)기술개발 현황 및 전망
무음극(Anode-free/Anodeless) 전지는 셀 제조 시 흑연·Si 또는 Li metal foil과 같은 음극 활물질을 넣지 않고, 최초 충전 과정에서 양극에서 이동한 Li⁺가 Cu 등의 집전체에 석출되면서 금속 Li 음극을 형성하는 구조이다. 기존 음극이 차지하던 질량과 부피를 줄일 수 있기 때문에 기존 리튬이온전지보다 높은 Wh/kg·Wh/L를 구현할 수 있으며, 고에너지밀도가 요구되는 EV, eVTOL·UAM, Drone, Humanoid Robot용 차세대 배터리로 주목받고 있다. 최근 분석으로는 무음극 Li-metal 전지가 약 500 Wh/kg 수준까지 도달할 잠재력이 있는 것으로 평가된다.
무음극
기술의 가장 큰 난제는 Li inventory가 제한적이라는 점이다.
일반 Li-metal 전지는 excess Li이
손실을 보상할 수 있지만 무음극에서는 양극에 포함된 Li이 사실상 전체 Li 공급원이므로, SEI 형성·전해액
분해·dead Li 생성에 따른 Li 손실이 곧바로 용량
감소로 이어진다. 또한 Cu 표면에서 Li가 불균일하게 핵생성되면 국부 전류밀도가 증가해
mossy/dendritic Li이 성장하고, stripping 과정에서 일부 Li가 전기적으로 고립되어 dead Li이 형성된다. 따라서 무음극 상용화의 핵심은 매 cycle Li
plating/stripping의 Coulombic Efficiency를 거의 100%에 가깝게 유지하는 것이다.
현재
해결 전략은 크게 네 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째, 고농도전해액(HCE), 국소고농도전해액(LHCE), ether계 전해액 및 첨가제를
이용해 free solvent와 부반응을 줄이고 LiF-rich
SEI를 형성하는 전해액 설계이다. 둘째,
Ag·Zn·Mg·Sn 등의 lithiophilic metal, carbon, Cu oxide, 3D
porous Cu 등을 이용해 Li nucleation을 균일하게 만드는 집전체 기능화이다. 셋째, 무기물·고분자 기반의
artificial SEI 또는 보호층을 적용해 fresh Li와 전해액의 직접 접촉을
줄이고 부피변화를 흡수하는 방법이다. 넷째, cathode
prelithiation, sacrificial Li source 등을 이용해 초기 Li 손실을
보상하는 Li inventory 관리이다.
최근에는
액체전해질계보다 Anode-free + All-Solid-State Battery(ASSB) 조합이
중요한 개발축으로 부상하고 있다. 고체전해질은 Li과 액체전해액
간 부반응을 줄일 수 있지만, Li stripping 후 계면
void와 contact loss가 새로운 문제로 나타난다. 이에 따라 전고체 무음극에서는 높은 ionic conductivity뿐
아니라 stack pressure, 계면 접착성, void
suppression, mechanical compliance가 핵심 설계변수가 되고 있다.
산업계에서는 Samsung SDI, LG Energy Solution, SK On, Hyundai/Kia 등이 황화물계 전고체와
무음극 기술을 병행 개발하고 있다. Samsung SDI는 Ag-C 기반
기능층을 활용한 무음극 전고체 기술을 발전시키고 있으며, LGES는
LPM coating, Cu oxidation, 3D current collector 등을 통해
Li nucleation과 계면 안정성을 높이고 있다. SK On은 초박막 Ag/polymer 계면, Hyundai/Kia는 AgF·Ag/Zn 등 lithiophilic metal 기반의 저압·고로딩 구조를 연구 중이다. 중국에서는 CATL이 self-forming anode, BYD가 3D porous gradient collector, SVOLT가
PPy/PANI-Cu와 Cu₂O
nanowire 기술을
개발하고 있으며, Ganfeng Lithium은 ultra-thin
Li와 Cu-Li composite를 통해
near-Anode-free에서 true Anode-free로 접근하는 전략을 취하고 있다.
무음극이
상용화되면 제조공정에도 큰 변화가 예상된다. 기존의 음극 mixing
→ coating → drying → calendering 공정이 크게 축소되거나 제거되고, 대신 Cu foil 표면개질·기능층
coating·계면 형성 공정이 중요해진다. 또한 기존 전지에서 formation은 SEI 안정화 공정에 가까웠지만, 무음극에서는 첫 충전 자체가 Li-metal 음극을 만드는 전기화학적
제조공정이 된다. 따라서 초기 충전 전류, 온도, SOC, 휴지시간, stack pressure가 최종 Li morphology와 수명에 직접 영향을 미치게 된다.
향후에는 true Anode-free보다 ultrathin Li 또는 low-excess-Li를 사용하는 near-Anode-free가
먼저 상용화될 가능성이 높다. 이 방식은 무음극의 에너지밀도 장점 대부분을 확보하면서도 초기 SEI 및 dead Li 손실을 보상할 수 있는 소량의 Li reservoir를 남겨두기 때문이다. 이후 전해액·집전체·계면 및 Li
inventory 관리기술이 발전하면 Li 사용량은 수십
μm에서 수 μm, 최종적으로 zero-excess 구조로
감소할 것으로 예상된다.
초기 적용시장은 긴 cycle life보다 고에너지밀도가 중요한 드론, eVTOL/UAM, 우주·항공, 휴머노이드 로봇이 유력하다. 이후 대면적 셀 수율과 장기 cycle/calendar life가 확보되면 premium EV를 중심으로 확대될 가능성이 높다. 결국 무음극의 경쟁력은 단순한 최고 Wh/kg보다 Li plating/stripping CE, Li inventory, electrolyte consumption, 제조수율, cycle/calendar life를 동시에 만족시키는가에 의해 결정될 전망이다.
본
보고서는 아카데미에서의 연구개발 및 삼성 SDI를 위시한 산업계에서의 연구개발 등 무음극 전지에 관한
지금까지의 개발현황을 주제별로 정리하여, 무음극 전지 연구개발 및 전망에 대한 체계적인 이해가 가능하도록
구성하였다.
본 보고서의 Strong Point는 다음과 같다
①
무음극 전지의 도입 및 연구동향 및 개발 현황 상세 수록
② 무음극 전고체전지, Li금속전지, Na전지, Li-S 전지 등 최근 전지별 연구개발 결과 수록
③ 각국의 무음극 전지 개발 지원 프로그램 및 기술개발 결과 상세 수록
④ 글로벌 무음극 전지 개발 주요 업체의 상세한 최근 현황 및 특허 분석
