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이웃집과학자

"폭발 없다" 전고체 배터리

By 이웃집과학자

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“우리는 1기가(10억)톤 수준의 탄소포집 시스템을 구축할 팀을 원한다”

테슬라 최고경영자 일론 머스크가 기후위기를 막기 위해 대기 중 '탄소포집' 기술 콘테스트를 개최했다. 우리 돈으로 총 상금 1천억 원. 실제 활용 가능한 우수 기술을 개발한 1등 팀은 560억 원을 거머쥘 수 있다. 기후변화와 위기가 먼 미래의 이야기가 아니라 지금 당면한 ‘이 시대의 과제’라는 걸 보여주는 상징적인 이벤트라는 평가가 나온다.

일반적인 개인 차원에서는 탄소 저감을 위해 무엇을 할 수 있을까. 기후위기에 대응하는 개인 차원의 노력 중 하나는 바로 전기차를 이용하는 것이다. 화석 연료를 사용하는 내연기관 차량이 내뿜는 온실가스를 차단할 수 있기 때문이다.

전기차의 핵심은 모터와 배터리인데, 그 중에서도 더 빠르게 충전되고 오래 지속되는 배터리가 필수다. 현재 배터리 시장은 리튬이온배터리를 중심으로 형성됐다. 전기차 뿐만 아니라 휴대전화 배터리부터 전동킥보드까지 다양한 제품에 활용된다. 하지만 충전 중 폭발이나 겨울철 성능 저하 같은 한계점을 안고 있다. 이에 기존의 리튬이온배터리의 문제점을 보완하는 연구와 더불어 안전한 차세대 전지에 관한 연구가 활발하다.


그렇다면 리튬이온배터리는 무엇이고 구조적으로 어떤 한계점을 안고 있는 걸까. 이 내용을 짚어본 후 향후 리튬이온배터리의 대체재로 떠오른 전고체 배터리까지 살펴본다.

리튬이온배터리는 반복적으로 충‧방전하며 사용하는 이차전지의 일종이다. 1991년 일본 Sony사가 처음 상용화했다. 고용량‧고출력 등의 장점으로 세계 이차전지 시장을 석권했다. 


리튬이온배터리는 양극와 음극, 분리막, 전해질로 구성된다. 양극은 배터리의 용량과 전압을 결정하는데 리튬 산화물이 주로 사용된다. 음극은 이온을 흡수‧방출하면서 전류가 흐르게 하는 역할을 하는데 안정적인 구조를 지닌 흑연을 재료로 쓴다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개하는 물질이다. 분리막은 양극과 음극이 물리적으로 접촉해 생기는 화재나 폭발의 위험성을 방지하기 위해 설치된다. 양극에서 배터리의 전극 반응에 관여하는 물질을 활물질이라고 하는데, 배터리가 충전되면 전자와 이온은 양극 활물질에서 해방돼 전자는 외부 회로를 통해 이온은 전해질을 통해 음극 활물질로 이동한다. 이러한 전기화학적 변환은 양극과 음극의 전위차를 발생시켜 전기에너지를 화학에너지 형태로 변환해 저장하게 된다. 방전은 이와 반대의 과정을 통해 화학에너지가 전기에너지로 변환돼 전자기기에 사용된다.

리튬은 다른 금속 이온에 비해 작고 가볍다. 리튬이온 배터리가 다른 배터리와 비교했을 때 에너지 밀도가 3배나 높고 가벼운 이유다. 무게와 부피를 소형화할 수 있어 휴대용 전자기기에 주로 사용됐다. 또한 환경 유해성이 없고 충‧방전을 반복하는 동안 충전 가능 용량이 줄어드는 ‘메모리 효과’에서 자유로워 더 높은 출력을 낼 수 있다.

이런 가운데 최근 전기자동차 시장이 급격히 확장함에 따라 리튬이온배터리도 새로운 전기를 맞이했다. 전기자동차 및 에너지 저장장치(ESS) 등 중대형 고에너지 응용분야가 성장한 것이다. 중대형 에너지저장매체로 활용되기 위해 현재 수준보다 획기적으로 향상된 가격경쟁력, 에너지밀도, 안정성을 갖춘 배터리가 필요한 시점이다.

이에 출연(연)에서는 리튬이온배터리의 단점을 보완하고 성능을 높이기 위한 연구가 활발하다. 특히 해외 의존도가 높은 배터리 구성 소재에 관한 연구가 유의미하다. 한국과학기술연구원에서는 연어 DNA를 이용해 고용량 양극소재를 개발하거나 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극소재보다 용량이 4배 이상 크고 5분 만에 80% 이상 급속 충전도 가능한 실리콘 기반 음극 소재를 개발했다. 이 밖에도 급속 충전에도 배터리 성능과 안전성을 보장하는 음극 촉매 소재를 개발해 전기차 및 에너지 저장장치(ESS) 분야에 활용될 것으로 기대된다.


하지만 리튬이온배터리 내 전해질은 열폭주(Thermal Runaway)로 인한 발화 위험성을 띤다. 리튬이온배터리가 액체 전해질을 사용하다 보니 온도 변화로 인한 배터리 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등으로 폭발 위험이 상존한다. 스마트폰, 노트북 같은 소형 IT 기기나 전기차 배터리가 폭발 또는 발화하는 주요 원인이다.


안전성 이슈와 더불어 용량도 한계점을 노출한다. 리튬이온 배터리의 용량을 더 이상 늘리기 어려워 보인다. 개발 초기 105Wh/kg에서 243Wh/kg으로 늘어나는데 20년 정도가 걸렸는데, 향후 5년 내에 한계에 도달할 것으로 예측된다.


이런 문제를 해결하고 전고체 배터리의 상용화를 앞당기기 위해 출연(연)에서는 많은 연구가 이뤄지고 있다. 특히 전고체 배터리 연구를 일본을 비롯한 외국 연구진들이 주도하는 상황에서 국내 원천 기술로 전고체 배터리 소재 기술을 개발한 성과는 주목할 만 하다. 한국과학기술연구원에서는 기존 배터리에서 사용되는 액체 전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 가지는 전고체 배터리용 고체 전해질을 개발했다. 

또한 전고체 배터리에서 고체 전해질과 양극 간 계면저항 문제를 개선하고 안전성을 높일 수 있는 전극 소재 설계 전략도 발견했다. 한국전기연구원에서는 전고체 배터리용 고체 전해질을 대량 생산할 때 비용을 90% 이상 절감해주는 기술을 확보했다. 최근엔 고가의 황화리튬을 사용하지 않고 습식 공정의 일종인 공침법을 이용해 황화물 고체 전해질을 저가로 대량합성 하는 신기술도 개발했다.


전고체 배터리는 특히 전기차용 배터리로 주목 받는다. 전기차가 기존 내연기관 차량과 경쟁하기 위해서는 이와 비슷한 수준의 주행거리를 구현해야 한다. 배터리 용량이 단연 중요한 이유다. 전고체 배터리는 에너지밀도가 높고 충전 시간이 짧다. 배터리 용량을 크게 늘려서 보다 긴 주행 거리를 확보할 수 있다. 2020년대 대부분의 전기차에는 전고체 배터리가 탑재될 것으로 예상되며 일본의 후지 경제 연구소 따르면 2035년쯤이면 전고체 배터리 시장이 30조 원 규모가 될 것으로 예측된다.

안타깝게도 현재 전고체 배터리 개발의 주도권은 일본이 쥐고 있다. 일본은 과거 리튬이온 배터리를 먼저 개발했음에도 중국과 한국에 패권을 빼앗겼다. 이에 위기감을 느낀 일본은 전고체 배터리의 상용화를 앞당겨 시장을 선점하기 위해 노력 중이다. 일본 토요타가 자체 개발한 전고체 배터리는 단 10분이면 완충된다. 1회 충전으로 500km를 달릴 수 있다. 올해 안에 전고체 배터리를 탑재한 전기차 시제품도 공개한다고 밝혔다.

일본 이외에도 세계 각국의 여러 기업이 전고체배터리에 관심을 갖고 연구 중이다. 독일의 BMW와 폭스바겐사는 2025년경 전고체 배터리 전기차를 출시할 계획이다. 중국 칭다오에너지도 2021년부터 3년 간 전고체배터리 연구 개발에 10억 위안 이상 투자할 예정이다.


전기차, 에너지저장장치(ESS), 드론, 로봇 등이 발전함에 따라 배터리 기술의 중요성은 더욱 커졌다. 한국도 이 흐름 속에 기술 주도권 경쟁에 적극 나섰다. 한국전자통신연구원은 새로운 형태의 전고체 배터리용 전극 구조를 개발했는데, 고체 전해질 없이 흑연 활물질로만 리튬이온 전극을 구성했다. 에너지밀도가 기존 대비 1.5배 올라갔다. 한국기초과학지원연구원은 용량과 안전성을 높이는 동시에 자유변형이 가능한 전고체 배터리를 개발했다. 구부리거나 잘라도 작동가능하다. 덕분에 웨어러블 전자기기와 드론 등에도 활용될 것으로 기대된다.


세계 곳곳에서 탈탄소화를 위한 노력이 활발하다. 내연기관차는 전기차로 점점 더 대체될 전망이다. 생활 곳곳에서 인간을 자유롭게 만드는 기기를 더욱 오래 가동시켜 줄 전고체 배터리가 필요하다. 이 변화의 흐름을 주도해야 한다. 이미 대한민국은 리튬이온배터리 분야에서 상당 수준 시장 주도권을 확보했다. 향후 출연(연) 연구진이 고성능 전고체 배터리 기술에서도 두각을 드러내 산업적으로도 연계되는 유의미한 성과를 꾸준히 창출할 수 있길 기대해본다.


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