"화재 없이 오래 가는 바나듐이온 배터리로 ESS 판도 바꿀 것"

지디넷코리아가 한국경제의 든든한 버팀목인 소·부·장(소재·부품·장비), 반도체·디스플레이, 배터리 등 핵심 기반 산업을 이끄는 [소부장반디배] 기업 탐방 시리즈를 새롭게 시작합니다. 유망 기업들의 정확하고 깊이 있는 정보를 전달해 드리겠습니다. [편집자주]

최근 배터리 산업의 새 성장 동력으로 에너지저장장치(ESS) 시장이 주목받고 있다. ESS가 공급이 불안정한 재생에너지, 안정적인 서비스가 중요한 인공지능(AI) 데이터센터를 위한 필수 보조 장치로 각광을 받고 있어서다.

배터리가 필요한 다른 영역과 마찬가지로 ESS도 대규모 확산을 위해선 성능 저하, 폭발에 따른 화재 위험 등 문제를 해결해야 한다. 삼원계 배터리, 리튬인산철(LFP) 배터리 등 현재 쓰이는 리튬이온 배터리들은 이런 문제를 완벽히 극복하진 못했다.

스탠다드에너지가 세계 최초로 개발한 ‘바나듐이온 배터리’는 이런 리튬이온 배터리의 단점을 모두 해결했다. 고효율에 장수명을 지원하면서도 수급이 용이한 소재인 바나듐을 택했고, 물을 전해액으로 사용해 화재 위험을 없앴다.

■ LFP 뛰어넘는 ESS 특화 배터리 개발…"수율도 고도화"

김부기 스탠다드에너지 대표는 카이스트에서 기계공학 학사, 석사, 박사 학위를 취득했다. 에너지 관련 신소재 연구를 하다 지난 2013년 회사를 설립했다. 김 대표는 창업 초기엔 바나듐 플로우 배터리 개발에 집중했다. 기존 리튬 배터리와 다른 독특한 아이템이면서도, 단일 소재로 배터리 제작이 가능하다는 이점을 염두한 판단이었다.

그러나 제품 특성상 낮은 에너지 효율, 복잡한 구조, 비싼 단가 등 한계에 부딪혔다. 한때 대기업들도 바나듐 플로우 배터리를 연구했으나 끝내 리튬 배터리를 대체하지 못한 이유다.

김 대표는 바나듐 플로우 배터리의 성능 한계를 극복할 신소재 배터리를 연구하다 우연히 바나듐이온 배터리를 개발했다. 바나듐이온 배터리의 장점을 고려하면 현재 ESS 시장에서 주목받는 LFP 배터리보다도 경쟁력이 앞선다고 자신했다.

LFP 배터리는 삼원계 배터리 대비 저렴하면서도 구조적으로 안정성이 좋아 화재 위험으로부터 비교적 자유롭다고 평가된다. 그러나 ESS가 외진 곳이 아닌 도시에서도 활발히 설치되려면 화재 위험을 완전히 차단한 배터리가 필요하고, LFP는 그렇지 못하다는 지적이다.

김 대표는 “LFP 배터리 관련 화재 사고는 이미 사례가 있었고, 수명도 문제”라며 “저희가 운영한 ESS 기준으로 배터리 일일 충방전 횟수가 8번이었는데, 1년이면 3천번 가까이 충방전을 해야 하고 이 계산대로면 LFP 배터리는 1년 정도 쓰면 수명이 다한다”고 지적했다.

바나듐이온 배터리는 충방전 10만번 이상을 지원한다는 게 김 대표의 설명이다. 김 대표는 ”모든 ESS가 배터리 장수명을 요구하진 않는다"면서도 "고속 충방전이 필요한 특수 영역에선 긴 수명의 배터리가 필요해질 것”이라고 언급했다.

바나듐은 고른 지역에 매장량이 분포돼 있고, 철강 산업에서 활용하고 있어 공급망 접근도 수월한 편이다. 김 대표는 “공정이 단순해 비용 절약도 되고, 재활용도 용이하다”며 "동일 생산량 생산 시점 기준 리튬 배터리보다 원가가 훨씬 낫다"고 덧붙였다.

지난해 바나듐이온 배터리 관련 표준이 마련되면서 본격적인 사업화 발판이 갖춰졌다.

김 대표는 “표준이 있는 나머지 배터리 4종은 역사가 30년 이상인 데 반해 바나듐이온 배터리는 역대 최단 기간에 표준화됐다”고 했다.

최근 이차전지 제품 인증도 통과했다. 김 대표는 “공장에서 제대로 제품을 생산하고 있는지 외부 심사위원이 평가를 거치고, 생산된 배터리 중 임의 추출한 제품이 기준 미달 없이 통과해야 한다”며 “이 심사 결과들을 전문위원들이 심사해 배터리의 안전성과 성능, 기업의 생산 역량을 평가하는 단계를 거쳐 받은 것”이라고 설명했다. 해외 인증 절차도 밟고 있어 이르면 내년께 획득할 것으로 내다봤다.

배터리 업계에선 제품 개발 이후 안정적으로 양산을 이뤄내기까지 상당한 공수가 든다고 본다. 대량 생산 과정에서 다양한 시행착오가 발생하고, 이를 적절히 해결하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 스탠다드에너지도 이런 측면에 있어선 경험이 길지 않다. 생산 역량을 끌어올리기 위해 택한 방법은 공정 설계를 간소화하는 것이었다.

김 대표는 “리튬 배터리에 필요한 클린룸, 건식 공정이 없고, 상대적으로 공정이 짧고 간소화 돼 있다”며 “설계 허용 오차 측면에서도 생산이 용이하도록 공정을 설계했다”고 밝혔다. 김 대표를 비롯해 기계공학 설계 전문 인력이 회사에 다수 포진해 있다고도 덧붙였다. 이런 노력으로 수율을 일정 수준까지 올렸다. 지난해 기준 생산량은 32만9천개를 기록했다.

생산되는 배터리는 QR코드 기반으로 이력이 관리돼 문제가 발생 시 역추적이 가능한 체계를 갖췄다.

■ 급속 충방전 필수 'AI 데이터센터' 시장 공략 계획

스탠다드에너지는 바나듐이온 배터리의 경쟁력을 인정받아 롯데케미칼, 엘비인베스트먼트, 소프트뱅크벤처스 등으로부터 1천200억원 가량을 투자받았다. 제품 주 공급처로는 AI 데이터센터용 ESS 시장을 집중 공략할 계획이다.

김 대표는 “기존 데이터센터와 AI 데이터센터가 다른 점은 전력 상 변동성이 크다는 것”이라며 “AI 이용자는 텍스트를 요청할 수도, 영상을 요청할 수도 있는데 이런 데이터센터를 ESS 없이 운영하면 전력 비용도 커지고 시스템 과부하로 손상이 생길 확률도 크다”고 했다.

전력 수요가 적을 때 에너지를 저장하고, 다량의 전력이 필요한 경우 즉각적으로 전력을 공급할 수 있는 ESS가 필요한데, 바나듐이온 배터리가 적합한 기능을 갖췄다고 강조했다.

김 대표는 “정전 시 즉각적으로 전력이 공급돼야 하는데 220V에 60hz인 우리나라 전력 체계를 고려하면 4밀리초 내 시간에 전력이 공급돼야 전원이 꺼지지 않는다”며 “바나듐이온 배터리는 리튬 배터리와 거의 동등한 속도로 충방전을 지원하는데, 리튬 배터리는 화재 위험과 수명 측면에서 한계가 있다”고 설명했다.

AI 데이터센터 외 분산 에너지 시스템 구축, 건물에 태양광 발전 시스템을 갖춰 에너지를 기업이 수급하는 ‘RE100’ 산업의 성장을 위해서도 ESS가 급속히 확산될 것으로 전망했다. 바나듐이온 배터리 잠재 시장이 풍부하다는 것이다.