사물배터리 시대
스마트기기, 전기차, 드론, 가전, 로봇 등 모든 사물이 배터리로 움직이는 사물배터리(Battery of Things, BoT) 시대가 도래함에 따라 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 폭발적으로 증대되고 있다. 특히, 전기차 시장의 급성장과 세계 각국의 신재생에너지 확대정책에 따른 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS) 보급 증가가 이차전지 시장 확대를 주도적으로 견인하고 있다.
현재 상업적으로 가장 널리 사용되고 있는 배터리는 리튬이온전지(Li-ion battery)이다. 그러나, 리튬이온전지는 조만간 여러 기술적 한계에 부딪힐 것으로 예상되고 있으며, 특히 배터리 구동 시간을 결정하는 에너지밀도 향상 측면에서 매우 심각한 기술적 우려를 보이고 있다. 이의 극복을 위해, 국내 전지 제조사들은 신규 고용량 양극 소재 및 후막 전극 개발에 집중하고 있다. 이와 함께, 기존 흑연 음극 대비 중량·부피당 에너지밀도를 크게 증가시킬 수 있는 리튬금속(Li metal)을 차세대 음극소재로 주목하고 있다. 한편, 최근 빈번히 발생하고 있는 전기차 및 ESS 화재로 인해, 리튬이온전지의 안전성 문제가 심각하게 대두되면서 액체전해질이 아닌 고체전해질을 적용한 전고체전지(All-solid-state batteries)가 차세대 전지로서 큰 관심을 받고 있다.
이상 언급한 바와 같이, 이차전지의 급증하는 수요를 충족하기 위해서는 고에너지밀도·고안전성을 중심으로 한 기술 혁신이 지속적으로 요구되는 상황이다(그림 1).
본 고에서는, 리튬이차전지의 핵심소재들을 중심으로, 기술 현황 및 주요 이슈들에 대해 논의하고자 한다. 이와 함께, 차세대 전지 기술로 주목받고 있는 리튬금속전지와 전고체전지에 대해서도 현 기술 수준 및 향후 전망에 대해 함께 고찰하고자 한다.
리튬이온전지 기술 현황: 4대 핵심소재를 중심으로
리튬이온전지의 4대 핵심 소재는 양극재, 음극재, 분리막, 전해질이다(그림 2). 이차전지 수요가 급격하게 증가하면서, 국내 이차전지 제조사들은 안정적인 소재 공급 네트워크를 확보하고, 이와 동시에 수직계열화를 위한 기술개발 및 투자에 속도를 내고 있다.
양극재는 이차전지 내 리튬의 공급원이 되는 역할을 하며, 전지의 용량을 결정하는 소재이다. 중대형 전지의 경우 높은 에너지 밀도가 요구되기 때문에, 니켈(Ni) 함량이 높은 NCM, NCA 중심의 고용량 활물질 개발이 가속화되고 있다. 해당 활물질들은 코발트(Co) 함량이 적어 기존에 사용되었던 LCO 대비 가격 경쟁력이 우수하고, 표면적이 넓은 특징으로 인해 뛰어난 출력밀도를 보인다. 그러나, 제조 공정의 높은 기술장벽으로 인해 국내 및 일본 업체들을 중심으로 개발이 진행되고 있으며, 중국 업체들은 LFP 등 저가 소재를 중심으로 생산하고 있다.
음극재는, 양극재와 더불어 이차전지의 용량·출력·안전성 등을 결정하는 핵심 소재로서, 양극으로부터 나온 리튬 이온을 저장하는 역할을 한다. 이에 따라, 양극의 고용량화에 동반하여 음극의 고용량화가 가속화되고 있다. 흑연(graphite) 음극에 실리콘(Si)을 첨가함을 통해 제한된 흑연 음극재의 용량을 증가시키거나, 혹은 실리콘 단독 기반의 음극을 개발하려는 노력들이 진행되고 있다.
양극/음극 소재 개발 외에도, 전극 활물질 층 두께가 증가된 후막전극을 이용한 고용량화 기술이 큰 주목을 받고 있다. 후막 전극은 여러 층의 박막 전극을 대체할 수 있기 때문에 이차전지 부피를 크게 감소시킬 수 있으며, 밀도가 높은 집전체와 상대적으로 고가인 분리막의 사용량을 줄일 수 있기 때문에 중량 및 가격 측면에서 매우 유망한 기술이다(그림 3). 하지만, 아직까지 기존 박막 전극 대비 성능 및 제조 공정성이 충분히 확보되지 않고 있으며, 이의 해결을 위해 활발한 산학 협동을 통한 적극적 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.
리튬이온전지 성능 및 안전성 향상을 위해서는, 상기 언급한 양극재 및 음극재 외에도 분리막에 대한 기술 개발이 병행되어야 한다. 분리막은 리튬 이온이 전극 사이로 이동할 수 있는 통로를 제공하며 양극과 음극의 물리적 접촉을 차단하는 역할을 한다. 특히, 최근 중대형 전지의 화재사고 등으로 안전성 문제가 대두되면서, 내열성 및 기계적 강도가 향상된 분리막 기술 개발에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 한편, 전해질은 리튬 염, 유기용매 및 첨가제의 종류에 따라 그 물성을 다양하게 조절할 수 있다. 특히, 전기차는 소형 기기에 비해 온도 차이가 큰 환경에 장시간 노출되고 고용량 전지가 사용되기 때문에, 온도 민감성 개선 및 폭발/발화를 억제할 수 있는 전해액 첨가제에 대한 연구가 진행되고 있다.
이차전지 도전 과제
상기 언급한 리튬이온전지의 기술적 한계 극복을 위해서는, 새로운 전지 소재 및 셀 구조 다양화 등을 포함하는 새로운 개념의 이차전지 기술 개발이 필요하다. 그 동안 보고된 여러 전지들 중에서, 리튬금속전지 및 전고체전지는 에너지밀도/안전성의 비약적인 향상이 가능할 것으로 기대되어, 최근 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다(그림 4).
리튬금속전지는 리튬금속을 음극으로 사용하며, 기존 리튬이온전지 음극 소재인 흑연 대비 10배 이상의 높은 이론 용량을 가진다. 또한, 낮은 환원 전압 및 가벼운 무게로 인해 이상적인 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나, 전해액과의 계면 부반응 및 리튬 덴드라이트 성장 등에 기인한 수명 저하 및 안전성 이슈가 극복해야 할 큰 과제로 남아 있다. 이를 해결하고자 리튬금속이 안정적으로 증착/탈착될 수 있는 리튬 친화성 표면 처리 집전체를 개발하거나, 리튬과 전해질 간의 계면 안정성을 확보하기 위한 보호막 층 혹은 안정한 Solid-Electrolyte Interphase(SEI)를 생성하는 전해질 연구들이 활발히 진행되고 있다. 그러나, 리튬금속의 실질적 적용이 가능한 수준의 기술 개발은 아직까지 확보되지 못하고 있어, 리튬금속에 대한 근본적인 이해 및 이를 토대로 한 새로운 개념의 해결안 제시가 필요하다.
기존 액체전해질의 안전성 이슈 및 사용 온도 한계 문제 해결을 위한 시도로써, 고체전해질 기반 전고체전지가 큰 주목을 받고 있다. 전고체전지는 전지 안정성 향상 외에도, 설계가 자유롭고 고전압 바이폴라(bipolar)셀 구조 구현이 가능하여 전지 에너지밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 함께 가지고 있다.
그러나, 이러한 여러 장점들에도 불구하고, 전고체전지의 상업화를 위해서는 해결해야 할 과제가 아직 많이 남아 있는 실정이다. 기존 액체전해질 대비, 현재까지 보고된 고체전해질들은 성능 및 가격 측면에서 아직 열등한 수준이며, 전고체전지 개발을 위해서는 이러한 소재 이슈 해결이 선행되어야 한다. 전고체전지는 전극부터 전해질까지 그 구성 성분들이 모두 고체 상으로 이루어져 있어, 고체전해질-고체전해질 및 고체전해질-전극 계면 저항이 매우 높다. 이러한 문제를 극복하기 위해 고온/고압 조건에서 셀 제조가 이루어지며, 셀 구동을 위해서 정밀하게 제어된 고압 장치가 필요하게 된다. 그러나, 셀 제조 비용 상승 및 최종 셀 부피가 증가하는 문제점이 수반되게 되어, 이에 대한 해결이 필요한 상황이다.
결론
사물인터넷 시대의 주 동력원인 이차전지의 다양한 분야로의 확대 적용을 가속화하기 위해서는, 고에너지밀도·고안전성 등을 포함한 전지 기술 혁신이 필수적이다. 상기 언급한 바와 같이, 단기적으로는 기존 전지소재들 및 셀 구조의 개선 등을 중심으로 기술개발이 진행되고 있다. 좀 더 구체적으로는 니켈-망간 등의 전이금속 함량을 증가시킨 양극 소재, 후막 전극, 실리콘 기반 고용량 음극 소재, 내열성 강화 분리막, 기능성 전해액 첨가제 개발 등이 수행되고 있다. 한편, 이차전지의 에너지 밀도 및 안전성의 근본적 확보를 위한 기술개발 전략으로, 리튬금속전지 및 전고체전지에 대한 연구가 더욱 확대될 것으로 예상된다. 아직까지는 관련 원천 소재 및 셀 제조 공정 기술 등을 포함한 여러 측면에서, 기존 리튬이온전지 대비 기술적 열위를 보이고 있어 상업화까지 많은 시간이 걸릴 것으로 예상되나, 그 기술적/산업적 파급효과를 고려할 때, 더욱 적극적인 기술 개발이 진행되어야 할 것으로 사료된다.
