리튬 이온 배터리 다음은 뭘까?

많은 산업에서 친환경적 흐름이 대세가 되었고 이 중 가장 떠오르는 분야는 배터리다. 배터리는 ‘제2의 반도체’로 불리며 21세기 산업 패권을 좌우하는 승부처로 떠올랐다. 리튬 이온 배터리의 한계가 지적되는 요즘, 차세대 배터리에는 무엇이 있는지 살펴보자.   

글 | 조현규

우리가 아는 전기차에 들어간 배터리는 대부분 리튬 이온 배터리다. 현재 상용화가 가능한 이차 전지 중에서 가장 성능이 우수하기 때문이다. 하지만 리튬 이온 배터리는 해결해야 할 문제가 많다. 그중 화재 안전에 취약한 단점을 가지고 있다. 리튬 이온을 전달하는 전해질이 액체이며 가연성 물질이기 때문이다. 실제로 충전 중일 때, 혹은 충돌 후 화재 사례가 전 세계적으로 발생하고 있다.

또한 리튬 이온 배터리의 성능적 측면에서는 주행 거리와 충전 시간 모두 소비자가 기대하는 수준에 못 미치는 것이 현실이다 . 소비자와 시장에서 요구하는 수준을 맞추기 위해서는 기술적인 혁신이 필요하다 . 리튬 이온 배터리의 한계를 근본적으로 뛰어넘는 차세대 이차 전지 시스템인  ‘포스트 -리튬 이온 배터리 ’에 대해 전 세계적으로 활발한 연구가 진행 중이다 . 이러한 연구의 방향은 명확하다 . 현재 리튬 이온 배터리보다 더 좋은 성능 , 안전 , 짧은 충전 속도 , 저렴한 가격이다 .

차세대 이차 전지와 관련한 일본  NEDO(New Energy and industrial Technology Development Organization)의 자료에 따르면 현재의 리튬 이온 배터리는  2025년까지  ‘혁신형 리튬 이온 배터리 ’라는 이름으로 성능 개량과 진화를 거듭하게 된다 . 2030년에는 전고체 배터리가 상용화될 것이며 이후  2035년에서  2040년까지 리튬 메탈 배터리 , 리튬 황 배터리의 상용화가 이루어질 것이다 . 현재 기술 개발 연구 단계에서는 리튬 공기 배터리가 발전의 마지막 단계라고 볼 수 있다 .

전고체 배터리

현재 리튬 이온 배터리는 양극 (+)과 음극 (-) 사이를 리튬 이온이 오가며 전기가 충 ·방전되는 방식이다 . 이 리튬 이온이 오가는 통로 역할을 하는 것이 전해질이며 리튬 이온은 이 전해질이 액체로 되어 있다 .

전고체 배터리는 전해질을 고체로 바꾼 것이다 . 이를 통해 배터리의 수명과 안전성 , 성능 등의 근본적인 문제를 개선할 수 있을 것으로 예상된다 . 그럴 뿐만 아니라 무게와 부피를  10분의  1 수준으로 줄일 수 있다 . 따라서 현재 차세대 이차 전지 시장에서 가장 주목을 받고 있다 .

전해질을 고체로 사용하게 되면 리튬 이온 배터리에서 문제가 되었던 액체 전해질로 인한 화재 문제의 근본적인 부분을 해결하게 된다 . 또한 저온에서 얼어버리는 액체 전해질과 달리 고체 전해질은 저온에서도 제 성능을 발휘한다 . 따라서 겨울에 나빠진 배터리 효율로 인해 겪는 불편함을 해결할 수 있다 .

전극 제조 후 후공정으로 주입해야 하는 액체 전해질과 달리 , 고체 전해질은 전극 제조 공정 중 투입이 가능하며 전극 내 균일한 분포가 가능하다 . 이를 통해 전극 후막화에 따른 전극 저항 증가 문제를 해결해 리튬 이온 배터리 대비 고출력 , 고용량화가 가능하고 빠른 충전 시간을 확보할 수 있는 것도 전고체 배터리의 장점이다 .

이러한 장점으로 인해 대기업을 중심으로 활발한 연구 개발이 진행되고 있다 . 지난해 이재용 삼성전자 부회장과 정의선 현대자동차 회장이 만나 전고체 배터리 개발에 대해 논의했다 . 삼성  SDI는 최근 경력사원을 채용을 발표했는데 이 대상에는 전고체 배터리 개발 , 배터리 안전성 연구 등이 포함됐다 . 삼성  SDI와  LG에너지솔루션은 각각  2027년 , 2028년 이후 전고체 배터리 상용화가 가능할 것이라 내다보고 있다 .

전고체 배터리 양산에 성공한 기업은 아직 없지만 , 전고체 배터리와 관련해 가장 앞선 기술을 가지고 있는 회사는 토요타다 . 토요타는 전고체 배터리와 관련된 특허를 이미  1000개 이상 확보했다 . 토요타는 미국 스타트업 기업인 퀀텀스케이프와 손을 잡고 수년 내에 전고체 배터리를 기반으로 한 전기차를 출시하겠다는 계획을 밝혔다 .

리튬 황 배터리

리튬 황 배터리는 음극재는 리튬 메탈과 같은 경량 재료 , 양극재는 황 탄소 복합체를 사용하는 배터리다 . 이론적으로는 리튬 이온 배터리에 사용되는 전극 소재 대비  10배 이상의 용량을 확보할 수 있다 . 또한 에너지 밀도는 무게당  5배 이상 높다 .

게다가 양극 소재로 사용되는 황은 자원이 풍부하고 가격이 저렴하다 . 양산화 과정만 거치면 기존 리튬 이온 배터리에 대비해 제조 원가를 획기적으로 낮출 수 있으며 기존 리튬 이온 배터리 제작 공정을 대부분 활용할 수 있어 사업적인 측면에서도 매우 유리하다 .

하지만 해결해야 할 단점 또한 만만치 않다 . 대표적으로 리튬 이온 배터리보다 수명이 짧은 것이다 . 충전과 방전이 반복되면서 양극에 존재하던 황이 전해질 내 리튬 이온과 결합해  3종류의 리튬 황 화합물로 변화한다 . 방전 반응에 의해 생성된 중간 반응물이 전해질에 잘 녹는 문제가 있는데 이로 인해 양극 내 황의 양이 지속해서 감소한다 . 그리고 일부의 중간 생성물은 음극으로 이동하여 리튬과 반응해 음극의 리튬 역시 시간이 지날수록 감소한다 . 결과적으로 충 ·방전이 진행되면서 배터리의 용량이 줄어드는 것이다 .

이러한 문제를 해결하기 위해 전도성이 높고 가벼운 양극 구조와 전해질 접촉을 막을 수 있는 보호막이 있는 리튬 음극 , 화학적 안정성이 높은 신규 전해질 등에 관한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다 .

2020년  8월에는  LG에너지솔루션 (구  LG화학 )이 리튬 황 배터리를 탑재한 무인기로 성층권 환경에서 비행하는 테스트를 성공했다 . 영하  70도의 낮은 온도와 진공에 가까운 성층권의 극한 환경에서도 안정적인 충 ·방전 성능을 확인한 것에 큰 의미가 있다 . LG에너지솔루션은 이르면  2024년 리튬 황 배터리를 상용화하겠다는 계획을 하고 있다 .

리튬 에어 배터리

차세대 배터리의 종착역이라 불리는 리튬 에어 배터리는 말 그대로 공기 중 산소를 양극 소재로 활용해 충 ·방전 작동을 하는 배터리다 . 리튬 황 배터리와 마찬가지로 음극은 리튬 금속을 사용하고 양극은 공기 중 산소가 반응하도록 만드는 다공질 탄소와 촉매로 이루어져 있다 .

리튬 에어 배터리는 에너지 밀도가 매우 높다 . 리튬 이온 배터리에 비해  10배 이상 높은 것으로 알려졌다 . 만약 리튬 이온 배터리로 약  15분 비행하는 드론이 있다면 같은 무게로  1시간 이상 비행이 가능한 것이다 . 셀 구조가 단순하고 훨씬 가볍기 때문에 드론 및 로봇공학과 같은 모빌리티 분야와 전자기기 시장으로의 확장 또한 용이하다 . 또한 리튬 이온 배터리와 다르게 전력을 생산하기 위해 금속 산화물이 필요하지 않고 공기 중 널리 퍼져있는 산소를 사용하기 때문에 훨씬 경제적이고 친환경적이다 .

차세대 이차 전지 중에서 상용화 시점은 가장 늦을 전망이다 . 풀어야 할 기술적 난제는 현재의 기술로는 풀기 어렵기 때문이다 . 대표적인 난제는 배터리의 수명이다 . 배터리의 에너지 효율과 충 ·방전 사이클을 모두 양극이 담당하기 때문이다 . 음극에서 넘어온 리튬이 양극에서 산소와 반응하며 과산화 리튬 (Li2O2) 산화물을 생성하는데 이 과산화 리튬이 충 ·방전 사이클 모두에서 문제를 일으키고 있다 . 이러한 문제들을 해결하기 위해 양극에서 산소와의 반응성을 높이고 생성된 과산화 리튬을 처리할 수 있는 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 .

충전과 방전 전압 사이의 차이가 커 에너지 효율이 낮은 문제도 있다 . 이는 충전 전력 대비 사용할 수 있는 방전 전력의 감소를 초래한다 . 100% 충전을 해도 실제 효율은  50~60% 선에서 그친다는 것이다 . 그 외에도 질소 , 이산화탄소 등 공기 중 다른 성분을 여과할 수 있는 장치 , 지속적인 산소 공급을 위한 송풍 장치 등 추가 장치가 필요하다는 점도 리튬 에어 배터리가 해결해야 할 문제다 .