이차전지의 세계(1)-이차전지의 현황과 전망

이차전지에 의한 전력저장은 콤팩트하고 여러 가지 용도로 이용할 수 있는 가능성이 있다. 또한 기술적으로도 높은 레벨이므로 큰 관심을 받으며 대규모 연구개발이 진행되고 있다. 이번 호부터 환경대책, 부하평준화, 모바일용 최신 기술로 각광받고 있는 이차전지에 대해 몇 회에 걸쳐 개관한다. - 편집자 주 휴대형 오디오 플레이어, 디지털 카메라, 캠코더, 휴대전화나 노트북과 같은 휴대용 전자기기가 선진국뿐만 아니라 개발도상국에서도 급속하게 확대·보편화되어 현재 우리 생활에 없어서는 안될 필수불가결한 생활용품으로 자리잡고 있다. 이런 무선 휴대기기의 실현에 의한 유비쿼터스 정보사회의 도래는 우리들의 생활에 대변혁을 가져와, 불과 200년 전에는 상상도 할 수 없었던 윤택한 삶을 제공하고 있다. 그러나 이러한 번영은 화석연료자원의 대량소비에 의한 것으로써, 1968년 로마클럽1)에서 대두되었듯이 화석연료의 대량소비에는 한계가 있다. 또 최근에는 CO2등의 온난화가스의 방출에 기인한 지구환경의 변화가 가시화되어 전세계적인 문제로 이슈화되고 있다. 우리는 식물이 대기 중의 CO2를 고정시키고 동물은 그 식물을 이용, 최후에는 다시 CO2로 돌아간다는 거대한 지구 사이클 속에 있다. 현재 우리가 사용하고 있는 화석연료자원은 그 일부가 긴 시간에 걸쳐 땅속에 축적되어 온 것으로, 우리는 이를 이용하여 대기 중으로 급속히 CO2를 배출하고 있으며 그 양은 자연계의 큰 사이클의 5~10 %에 달한다. 즉, 자연계의 CO2사이클에 5~10% 정도의 영향을 준다고 볼 수 있다. 현대사회가 직면한 화석연료의 대량소비에 의한 자원과 환경의 문제를 해결하여 우리들이 누리고 있는 생활의 편리성·쾌적함을 전진시키고 지속적 발전사회를 유지하기 위해서는 에너지 자원의 이용방법의 개선과 환경부하를 수반하지 않는 새로운 에너지의 개발이 요구된다. 현재, 고갈되지 않는 신에너지원으로 각광받고 있는 태양광이나 풍력, 바이오매스(biomass)2) 등의 재생가능 에너지의 개발은 후자에 속한다. 한편, 전자에 속하는 방법으로는 다음의 두 가지를 생각할 수 있는데, 그것은 에너지 변환 시스템을 연구·개발하여 자원의 이용효율의 향상을 도모하는 방법과 이용 형태로 변환된 에너지를 능숙하게 이용하는 방법이다. 전기는 깨끗하고 사용하기 편리한 에너지 형태로, 생활 레벨이 향상되면 에너지 소비에 차지하는 전력 에너지비는 높아진다. 이 전력을 저장할 수 있으면 발전과 전력 이용의 두 가지 면에서 큰 이점을 낳는다. 예를 들면, 태양전지와 풍력 등과 같은 시간적, 공간적으로 편재하는 재생가능 에너지를 대규모로 도입하기 위해서는 전력저장이 필요하다. 또 자동차를 하이브리드화함에 따라 차의 Well-to-Wheel 효율(유전에서 차륜까지의 효율 : 연료효율×차량효율)은 비약적으로 높아진다. (<표 1> 참조) 이와 같은 전력의 저장법에는 몇 가지가 있는데, 그 중 재생가능 에너지로는 양수 발전이 잘 알려져 있다. 양수발전은 발전초기부터 그 설치가 가능한 곳이 있으면 일찌감치 건설을 시작하여 많은 진전을 보였으며, 현재는 플라이 휠(flywheel), 초전도 코일과 압착 공기 등에 의한 전력저장 연구도 활발히 진행되고 있다. 이것에 비해 이차전지에 의한 전력저장은 콤팩트하고 여러 가지 용도로 이용할 수 있는 가능성이 있으며 기술적으로도 높은 레벨이므로 큰 관심을 받으며 대규모적으로 연구개발을 진행하고 있다. 여기에서는 이런 이차전지의 현상과 향후 전망에 대해 개관한다. 전지의 구성

전지는 <그림 1>과 같이 산화제와 환원제를 전자와 이온을 중립하여 반응시켜 그 때 방출되는 깁스(Gibbs)의 자유에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 시스템이다. 정온(定溫)과정의 에너지 변환이기 때문에 열기관 같은 카르노(Carnot)의 제약을 받지 않고, 이론적인 에너지 변환효율은 △G/△H로 표시되며 높아진다. 전지에는 다 쓰면 폐기하는 ‘일차전지’와 사용한 후 다시 충전하여 여러 번 사용할 수 있는 ‘이차전지’가 있다. 전지의 방전에서는 정극(正極)에서 산화제 Ox1이 환원되어 Red2가 되고, 부극(負極)에서 환원제 Red1이 산화되어 Ox2가 된다. 전반응 : Ox1 + Red1 = Red2 + Ox2 (1) 이차전지의 충전은 이것의 역반응이다. 이때 전지의 기전력 E는 다음과 같이 나타낸다. -△G = nFE (2) 또, 기전력은 정극의 전위와 부극의 전위의 차가 된다. E = Eox - Ered (3) 산화제와 환원제가 접촉하면 화학적으로 반응하여 방출되는 에너지는 열이 된다. 이것을 피하기 위해서 세퍼레이터를 사용하는데, 이런 세퍼레이터는 높은 이온 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 전지는 전압이 높고 큰 전류를 낼 수 있는데, 즉 큰 파워를 낼 수 있어서 보존성이 좋고 친환경적이라 안전하고 저렴하다. 이차전지의 경우에는 이런 사양들과 함께 여러 번 충·방전을 통해 긴 수명을 가질 수 있다. 전지 전압은 강 산화제(전위가 높다)와 강 환원제(전위가 낮다)를 섞으면 높아져 내부저항이 적고(전해액의 이온 전도성이 높고 전지반응이 원활하게 진행됨과 동시에 전극·집전체·리드 등의 전자전도성이 높다) 큰 파워를 얻을 수 있다. (1)식의 반응 가역성이 좋으면 이차전지의 사이클 특성이 좋아진다. 또, 전지 작동 중에나 휴지 중 (1)식의 전지반응 이외의 부반응이 없으면 보존성이 놓아진다. 전지는 기전물질을 그 속에 가지고 있는데, 기전물질 또는 반응생성물을 레저부아(reservoir : 저장기)에 보존하는 레독스 플로(redox flow) 전지와 같은 것도 있다. 연료전지도 화학전지이지만, 이 경우 산화제와 환원제를 외부에서 공급하여 발전시켜 생성물을 외부로 배출한다. 여러 가지 이차전지와 그 용도 현재 대규모로 시판되고 있는 이차전지에는 <표 2>에 나타난 ‘납축전지’, ‘니카드 전지’, ‘니켈-금속 수소화물 전지(Ni-MH 축전지)’, ‘리튬이온 전지’ 4가지 종류가 있다. 전자의 두 개는 개발 이래 100년 이상의 역사를 가지고 있는데, 실제 에너지 밀도는 정극과 부극의 활물질에서 계산되는 값에 대해, 납축전지는 20~30%, 니카드 전지는 30%정도이다. 이에 비해 개발된 지 10년 남짓 넘은 Ni-MH 축전지는 33%, 리튬이온 전지는 45%이상에 달하고 있다. 이 두 가지 전지로 기술개발의 스피드가 상당히 빨라졌음을 알 수 있다. 전지에는 전해액과 세퍼레이터, 용기 등이 필요하기 때문에 일반적으로는 이론값의 1/3~1/2 정도의 에너지 밀도가 한계라고 할 수 있다는 점에서 보면, Ni-MH 축전지와 리튬이온 전지의 기술성숙도는 상당히 높다고 말할 수 있다. 그러나 이 두 개의 전지, 특히 리튬이온 전지에는 전극재료와 전지구성이 매우 다양하여 향후 더욱 더 발전을 해 나가리라 생각된다. Ni-MH 축전지 반응은 <그림 2>에서처럼 정극은 니켈 산화물의 H+의 삽입탈리(揷入脫離) 반응이고, 부극은 전자의 이동에 따른 H의 수소흡장 합금으로의 출구이다. <그림 3>의 리튬이온전지의 반응은 정극과 부극 사이에서 Li+의 이동으로 둘 다 상당히 간단한 반응이다.

네 개의 전지 외에 전력저장용 등의 대형의 전지로서 ‘나트륨-유황전지(Na-S 전지)’, ‘취소(臭素)-아연전지’, ‘염소-아연전지’, ‘레독스 플로 전지’ 등이 있다. 전지는 콤팩트하게 축전할 수 있는 다비아스이기 때문에 비행기나 기차, 비상용 전원, 컴퓨터 등의 백업을 위한 무정전 전원, 로켓이나 위성 등의 우주개발과 해양개발 같은 프런티어용 전지, 그리고 군사용으로 중요하며, 또 의료나 복지의 분야에서도 없어서는 안 된다. 특히 이런 용도로 쓰일 경우에는 더욱 높은 신뢰성이 요구된다. 이차전지의 용도는 <그림 4>와 같이, 휴대형 전자기기에서 전동공구 등의 파워용도, 전기자동차와 하이드리드차 등 점점 확대해 가고 있다고 말할 수 있다.

리튬이온전지의 현황과 전망 10여 년 전, 일본에서 개발된 민생용 소형 리튬이온전지는 비약적인 발전을 이루어왔다. 정극활물질, 부극활물질, 전해액뿐만 아니라 집전체나 세퍼레이터, 용기 등의 부재가 연구·개발되어 다른 전지를 훨씬 능가하는 170Wh/kg, 460Wh/l과 같은 높은 에너지 밀도가 달성되고 있다. 한계에 가까웠다고 보는 경향도 있지만, 앞에서 설명했듯 리튬이온전지는 전극재료와 전지구성이 매우 다양하기 때문에 더 향상 될 가능성이 있다고 전망된다. 전력저장과 전기자동차 등에 이용되는 전지는 <표 3>를 보면 알 수 있듯이 큰 용량의 전지가 필요하다. 무엇보다 저렴한 가격으로 품질이 고르며 신뢰성이 높은 소형전지를 수백에서 천 개 이상 연결하여 이용하면 될 것이라는 예측도 있지만, 일반적으로는 수십~수백 Wh의 사이즈가 요구된다. 하지만 전지나 전해조(電解槽)와 같은 전기화학 리액터의 대형화는 일반 리액터의 대형화 등에 비교하면 상당히 어렵다. 또한 에너지 밀도가 높은 데다 유기 전해액을 이용하는 리튬이온전지의 대형화는 안전성의 확보에서 어렵다는 문제가 있다. 기본적인 특성으로 ‘에너지 밀도가 높을 것’, ‘보존 수명 및 사이클 수명이 길 것, ‘취급이 용이할 것’, ‘환경부하가 적을 것’, ‘가격이 저렴할 것’ 등이 요구된다. 최근 하이브리드 카3)(HEV : Hybrid Electric Vehicle)가 환경문제에 대처하기 위한 자동차로 주목을 받고 있는데, HEV을 위한 전지는 전기자동차용의 전지와 비교하면 요구되는 용량이 적기 때문에 에너지 밀도와 코스트의 점에서 조금 완화된다. 한편, 높은 출·입력 성능과 충·방전 심도는 얕아도, 상당히 긴 사이클 수명이 요구된다. 이런 요구를 충분히 만족시키는 리튬이온전지는 아직 개발되지 않았으며 HEV에는 Ni-MH축전지가 주력으로 되어 있다. Ni-MH축전지 보다 고성능인 리튬이온전지의 내부저항을 낮추어 하이레이트 성능을 향상시켜야 한다. 특히 HEV용도로 요구되는 출·입력 파워를 충족하기 위해서는 전지반응의 플럭스(flux), 전극-전해질계면을 횡단하는 반응의 플럭스가 매우 커진다. 시판되는 리튬이온전지의 탄소부극의 표면에 생성하는 전극-전해액계면상이 큰 플럭스를 얼마나 억제할 것인가 등 기본적인 문제부터 앞으로 검토해 나가야 한다. 맺음말 이차전지는 생활의 편리성 향상에 있어 불가결할 뿐 아니라, 사회가 직면한 에너지와 환경의 문제에 대처하는 유력한 수단이 되는 전력저장, EV(Electric Vehicle)과 HEV을 위한 이차전지의 개발이 급선무이다. 각각의 용도의 요구를 모두 만족시키는 이상적인 전지를 개발하기란 어렵다. 용도에 맞춘 고성능의 전지가 신속하게 개발되기를 기대한다. ※ 주 1) 로마클럽 : 로마클럽은 1968년 4월에 이탈리아의 실업가인 아우렐리오 페체이(Aurelio Peccei)가 심각한 세계문제에 관한 연구의 시급함을 절감하고 뜻을 같이하는 유럽의 경제학자와 과학자, 기업인등 36명이 1970년 3월에 스위스 법인체로 설립한 민간단체이다. 지구의 유한성에 대한 문제의식을 갖고 특히 천연자원의 고갈, 공해에 의한 환경오염, 개발도상국의 폭발적인 인구증가, 군사기술의 진보에 의한 대규모의 파괴력의 위협 등에 의 한 인류의 위기에 대해 인류로서 가능한 회피의 길을 모색하여 경고, 조언하는 것을 목적으로 하고 있다. 2) 바이오매스(biomass) : 식물이나 미생물 등 생물체를 에너지원으로 이용하는 것으로, 지구상에서 1년간 생산되는 바이오매스는 석유의 전체 매장량과 맞먹어 적절히 이용하면 고갈될 염려가 없다. 예를 들어 브라질에서는 사탕수수와 카사바에서 알코올을 채취하여 자동차연료로 쓰고 미국은 케르프라는 거대한 다시마를 재배하여 메탄생성 연구를 하고 있다. 이 때문에 로컬에너지라고도 불린다 3) 하이브리드 카 : 내연 엔진과 전기자동차의 배터리 엔진을 동시에 장착하거나, 차체의 무게를 줄여 공기의 저항을 최소화하는 등 기존 일반 차량에 비해 연비(燃費) 및 유해가스 배출량을 획기적으로 줄인 차세대 자동차로, 유해가스를 기존의 차량보다 90% 이상 줄일 수 있고, 대도시의 공기와 주변 환경을 개선할 수 있으며, 교통통제·도로계획 등에도 잘 맞기 때문에 환경자동차(eco-car)로도 부른다.