KRICT 한국화학연구원

KRICT 아리아리

* 아리아리는 ‘어려워도 함께 헤쳐가자’라는 뜻의 순우리말입니다.

리튬이온·리튬황·전고체 전기차 배터리 삼파전

현재 전기차 배터리 시장의 대세는 리튬이온 배터리입니다. 1991년 첫 상용화 이후 지속적인 에너지밀도와 충·방전 효율 향상에 힘입어 스마트폰, 카메라 등의 소형가전부터 하이브리드 자동차와 전기차까지 이차전지 시장 대부분을 석권하고 있지요. 

리튬이온 배터리의 한계

최근 전기차는 세계 각국의 인터넷 커뮤니티를 달구는 가장 뜨거운 관심사 중 하나입니다. 글로벌 완성차 기업들이 2050년 탄소중립 의무에 따른 자동차 산업 지각변동에 대비해 경쟁적으로 혁신적인 전동화 모델들을 출시하고 있기 때문입니다. 여기에 국제적인 원유 및 천연가스 가격 폭등이 전기차 수요를 더욱 부채질하며 일부 높은 상품성으로 인기를 끌고 있는 차종들은 돈이 있어도 구하지 못하는 품귀현상까지 빚어지고 있습니다.

지난 2년 새 전 세계 판매대수가 두 배 넘게 폭증한 전기차의 인기는 당연히 핵심 중의 핵심부품인 리튬이온 배터리 업계의 활황세로도 고스란히 이어지고 있습니다. 하지만 바야흐로 본격적인 전기차 시대에 접어들수록 절대강자로 군림해온 리튬이온 배터리의 아성에는 오히려 조금씩 균열이 생기고 있는데요. 잊을 만하면 발생하는 차량 화재사고, 차 값의 절반을 차지하는 비싼 가격이 발목을 잡고 있는 것이지요. 현재 전 세계에서 운행되고 있는 전기차에는 각형, 파우치형, 원통형 등 여러 가지 형태의 리튬이온 배터리가 장착되고 있습니다. 주요 소재인 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄, 인, 철 등의 조합과 성분도 제각각이지요. 자동차 회사와 배터리 제조사들은 점점 더 다양한 패키징과 물질 구성을 통해 전기차의 가장 중요한 셀링 포인트인 주행거리 향상과 안전성 확보에 주력해왔는데요. 

양대 후보 ‘전고체·리튬황’ 

하지만 오랜 연구개발에도 불구하고 리튬이온 배터리의 가장 큰 약점으로 꼽히고 있는 발화 가능성은 여전히 의구심이 해소되지 않고 있는 상황입니다. 또한 리튬, 니켈, 코발트 등 주요 원자재 가격 급등이 전기차 가격 인상으로 이어지며 전기차 대중화의 걸림돌로 작용하고 있는 상황이지요. 이에 따라 리튬이온 배터리보다 더욱 안전하고 경제적인 이차전지를 개발하려는 경쟁 또한 치열한데요. 

현재 리튬이온 배터리 독주 체제를 위협하는 가장 강력한 후보가 ‘전고체 배터리’입니다. 전고체 배터리는 이름 그대로 리튬이온 배터리 화재의 주범으로 지목받고 있는 액체 전해질 대신 고체를 전해질로 이용하는 리튬이온 배터리입니다. 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 매개체를 고체로 만들어 단락으로 인한 화재 가능성을 크게 낮추는 것이지요. 또한 전고체 배터리는 5~10분 정도로 충전 시간이 매우 짧고, 한 번 충전으로 확보할 수 있는 주행거리도 리튬이온배터리보다 훨씬 긴 것으로 알려지고 있습니다. 이와 함께 고체 전해질로 크기와 부피, 무게를 줄이는 게 용이하다는 점도 강점입니다. 배터리 크기가 작아질수록 차량에 탑재할 수 있는 편의장비와 거주공간은 더욱 늘어나게 되지요. 

또 다른 다크호스는 ‘리튬황 배터리’입니다. 리튬황 배터리는 황(S)을 양극재로 사용하는 배터리입니다. 유황으로도 불리는 황은 부존자원도 풍부한 데다 정유와 철강 산업의 부산물로도 많이 생산되기 때문에 배터리의 가격을 크게 낮출 수 있지요. 또한 리튬황 배터리의 에너지밀도가 이론적으로 리튬이온 배터리보다 최소 2배에서 최대 10배에 이르는 것으로 보고되고 있어 상용화에 성공할 경우 전기차 배터리 시장의 신흥 강자로 부상할 가능성이 높습니다.

 자동차·이차전지 산업의 게임체인저

이에 따라 글로벌 완성차 업체와 배터리 업계는 향후 전기차 배터리 시장의 게임체인저가 될 것으로 보이는 전고체 배터리와 리튬황 배터리 개발에 사활을 걸었다고 할 만큼 많은 힘을 쏟고 있는데요. 특히 이미 상용화에 가깝게 근접한 것으로 알려지고 있는 전고체 배터리는 전통의 배터리 기술강국 한국과 일본이 한 발 앞서 시제품을 공개하기 위해 치열한 각축전을 벌이고 있습니다. 현재 일본은 전 세계 전고체 배터리 특허 중 약 40%를 보유하고 있는 자동차회사 도요타가 2025년을 목표로, LG엔솔·삼성SDI·SK온 등 국내 배터리 3사 역시 2026년 상용화를 공언하고 있는 상황이지요.

이런 가운데 지난 2월말 화학연 에너지소재융합연구단이 ‘고분자 전고체 배터리’의 핵심기술을 국내 소재기업에 이전했다는 뉴스가 큰 관심을 끌었습니다. 화학연 연구진이 개발한 고분자 전고체 배터리는 기존에 알려진 전고체 배터리용 고체전해질보다 뛰어난 이온전도도, 유연성의 고분자 고체전해질과 우수한 복합전극 기술이 적용되며 전고체 배터리 고유의 강점인 에너지밀도와 안전성을 한층 더 향상시킨 것으로 알려져 갈 길 바쁜 국내 전고체 배터리 연구개발에 한층 속도를 더하게 될 것으로 기대를 모으고 있습니다.

화학연은 그간 10여 년 넘게 차세대 이차전지 구현에 필요한 핵심기술과 소재 개발에 매달려 왔는데요. 특히 고체 고분자, 리튬황 배터리는 물론 또 다른 제3의 게임체인저 후보들인 리튬금속과 리튬공기 배터리에 대해서도 지속적으로 원천기술 개발에 주력해왔습니다. 리튬금속 배터리는 이차전지의 핵심소재 중 하나인 음극재에 기존의 흑연 대신 리튬금속을 사용해 동일한 크기의 리튬이온 배터리보다 높은 에너지밀도를 구현할 수 있습니다. 리튬공기 배터리는 공기 중의 산소를 이차전지의 양극재로 사용하는 초경량 전지입니다. 산소의 산화·환원 반응을 반복하는 것만으로도 기존 리튬이온 배터리의 10배 이상 에너지를 저장할 수 있기 때문에 궁극의 차세대 배터리로도 불리고 있지요. 

이와 함께 화학연은 이차전지 4대 소재인 양극재, 음극재, 분리막, 전해질의 소재기술 혁신을 통해 기존 리튬이온 배터리의 경쟁력을 한층 더 강화하기 위한 연구도 병행하고 있는데요. 전기차는 자동차 산업 후발주자였던 한국이 퍼스트 무버의 자리에서 세계 시장의 판도 변화를 주도하고 있는 분야입니다. 또한 이차전지는 한국의 역사가 곧 세계 이차전지 시장의 역사라 해도 될 만큼 높은 기술력을 자랑해온 분야인데요. 화학연을 비롯한 국내 산·학·연의 끊임없는 연구개발 노력이 한국의 대표 산업들을 세계적인 수준 너머 어느 누구도 쉽게 넘보기 힘든 초격차의 영역으로 이끄는 견인차가 되기를 기대합니다.