 ‘전기자동차 주행거리’ 늘리는 신소재
전기자동차가 상용화됨에 따라 대용량 에너지 저장장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 더불어 이차전지의 높은 용량과 제작원가를 낮출 수 있는 기술 개발이 중요해졌다. 그런데 최근 국내 연구진들이 이차전지의 용량을 획기적으로 높이면서 상대적으로 원가를 낮출 수 있는 신소재 개발에 성공해 눈길을 끌고 있다.
자료: 한국에너지기술연구원, KAIST
이차전지 시장은 주로 휴대용 기기에 적용되는 리튬이온전지가 주도하고 있다. 하지만 전기자동차 등과 같은 고용량이 요구되는 전지에 적용하기에는 용량과 에너지밀도가 떨어진다는 평가가 있다. 그러나 용량을 높이고 생산단가를 낮출 수 있다면 리튬이온전지 시장은 휴대용 가전기기에서 자동차와 전력저장장치, ESS(Energy Storage System) 등 광범위한 영역으로 확대될 것이다.
한국에너지기술연구원이 제공한 자료에 따르면 세계 리튬이차전지 시장은 2010년에 약 115억 달러 규모를 기록한 후 연평균 17.24%씩 성장했다. 2013년에는 시장 규모가 185.4억 달러로 성장한 이후부터는 연평균 18.49%의 성장세를 보이기도 했다. 2018년 올해에는 리튬이차전지의 시장규모가 약 433억 달러에 이를 것으로 전망된다.
리튬이온전지 시장은 IT 기기용으로만 2020년에 약 13.8억 달러 규모의 시장을 이룰 것으로 예상되고 있다. EV 분야까지 확대해 적용할 경우 26.4억 달러로 규모가 커진다. 이외의 산업을 포괄한다면 시장의 규모는 더욱 커질 수밖에 없다. 더구나 자동차 가격에서 리튬이온전지가 절반 이상을 차지한다고 하니, 리튬이온전지의 생산원가를 낮출 수 있다면 전기자동차의 가격도 낮출 수 있을 것으로 보인다.
산화규소 나노분말 음극 소재 전기자동차, 충전 한번에 500Km이상 주행 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 나노기술을 기반으로 하는 리튬이온전지 음극 소재인 산화규소(SiOx) 나노분말 제조기술의 개발에 성공했다고 밝혔다.
이번 신소재 기술 개발은 기존 흑연 음극재에 비해 에너지 용량이 4배가량 높은 특징이 있다. 이를 전기자동차용 배터리에 적용하면 한번 충전으로 500Km 이상의 주행거리를 확보할 것으로 기대를 모으고 있다. 뿐만 아니라, 리튬 이온전지의 생산단가도 큰 폭으로 낮출 수 있다는 장점이 있다고 한다. 이 기술은 킬로그램 당 2~3달러 정도의 저가 규소원료만을 사용하고 금속분야에 일반적으로 사용되는 유도용융장치를 사용하기 때문이다. 이 경우, 앞서 상용화된 일본 제품보다 30~50%의 생산단가 절감효과가 있을 것으로 예상된다.
이 기술은 에너지 용량도 획기적으로 높이는 장점이 있다. 현재 리튬이온전지에는 주로 흑연 음극재가 사용되고 있다. 그런데 에너지연에서 개발한 기술을 이용해 제조한 산화규소(SiOx) 나노분말에는 리튬과의 반응성이 높은 실리콘(Si)이 포함되어 있다. 이를 리튬이온전지에 적용하면 흑연 음극재에 비해 에너지 용량을 4배가량 높일 수 있다.
규소는 상압 조건에서 산화 반응을 제어하기 어렵기 때문에 진공 상태에서 합성하는 것이 일반적이고, 따라서 제조가격이 비싼 편이다. 이에 비해, 에너지연에서 개발한 제조 기술은 합성반응영역을 진공 상태와 흡사하게 만들어 상압 조건에서도 합성할 수 있게끔 설계됐다. 또한, 제조 시 킬로그램 당 2~3달러 정도의 저가 규소원료만을 사용하고 금속분야에 일반적으로 사용되는 유도용융장치를 사용해 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
이외에도, 반응 시에 사용한 가스를 순환시켜 재활용할 수 있다는 점도 큰 장점이다. 기존의 공정에서는 8~10시간 정도의 연속공정이 가능했지만 재활용하는 가스를 일정하게 공급할 수 있도록 설계해 100시간 이상의 연속공정이 가능하다고 한다.  ① SIOx 나노분말 제조장치 ② SIOx 나노분말 제조공정 ③ 실리콘 용탕 표면 ④ SIOx 제조 분말
에너지연에 따르면, 국내 중소기업과 기술이전 계약(기술료 10억 400만원)은 이미 체결한 상태다. 에너지연과 기술을 이전받은 업체는 함께 제품생산 및 판매를 위한 연구개발을 진행하고 2019년 1월부터 제품을 양산화해 테슬라를 비롯한 세계 각국의 배터리 제조업체 및 리튬이온전지 생산업체에 공급할 계획이다.
모세관현상 이용 리튬-황 소재 개발차세대 고용량 리튬이차전지로 주목 KAIST 신소재공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반의 이차전지 전극 소재를 개발했다.
황은 석유를 정제하는 과정에서 부산물로 다량 생성되므로 양이 풍부하고 값이 싸다는 장점이 있다. 또한, 리튬이온 전지에 적용되는 금속 산화물에 비해 무게가 가볍고 무독성이라는 장점까지 지닌다. 그러나 활물질인 황의 낮은 ▲전기전도도, 충전과 방전 시 수반되는 ▲부피 팽창 및 수축, 전극의 영구적인 손상을 야기하는 ▲리튬폴리설파이드 중간상의 용출이라는 세 가지 주요 문제점이 개선되어야 상용화가 가능하다.
KAIST의 이번 연구는 기존의 다공성 탄소 분말 재료가 갖는 접촉저항 문제, 복잡한 합성 방법 및 고분자 바인더의 사용으로 인한 저항 증가 등을 타개하기 위하여 간단한 전기방사를 통해 대면적으로 탄소나노섬유를 제작하여 전극으로 활용하였다. 이는 분말 간의 접촉 저항을 갖는 기존 재료와는 달리 연속적으로 이어져 있는 섬유들을 통해 전자와 리튬 이온의 이동경로가 확보되어 저항이 큰 폭으로 완화되었고, 고분자 바인더를 사용하지 않아도 된다는 장점까지 갖는다.
이러한 장점을 갖는 탄소나노섬유들 사이에 고체 황 분말을 간단한 디핑(dipping)방식을 통해 삽입하여 10mg/cm2가 넘는 높은 황 로딩량을 구현하였다. 디핑은 고체인 황을 분산된 슬러리(slurry)에 탄소나노섬유 시트를 담갔다 빼내어 건조하는 방식이고, 슬러리는 체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물속에 현탁된 현탁액을 말한다.
황 로딩량이 높아지게 되면 부도체인 황의 함량의 증가로 인해 전지의 저항이 증가하여 전지의 용량이 감소하고 수명 특성이 저해되는 결과들이 보고되어 왔으나, 이번 연구에서는 높은 황 로딩량을 갖고도 큰 용량 감소 없이 안정적으로 100회의 충전과 방전을 진행했다고 한다.
그 이유는 마치 종이나 수건이 모세관 현상을 통해 물을 흡수하는 것처럼, 탄소나노섬유가 황의 전기화학 반응의 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드를 모세관 현상으로 흡수하여 양극 밖으로 녹아나가지 않게 붙잡을 수 있었기 때문이다. 그럼으로써 양극 내의 활물질(황)의 감소 방지 및 앞서 언급한 ‘shuttle effect’ 방지를 통한 음극(리튬금속)손상을 예방하게 된 것이다. 모세관 현상으로 인한 황의 맺힘(젖음) 현상은 주사전자현미경(SEM)을 통해 충전과 방전 후에도 계속해서 일정한 모양으로 황이 맺혀있는 것으로 확인되었다고 한다. 이에 대해 KAIST 측은 “기존의 연구결과들이 주목하지 않았던 황의 형상”이라고 평했다.
 전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성
이로써 황은 안정적으로 양극 내부에 잘 가두어졌고, 100회의 충방전 이후에도 7mAh/cm2 이상의 높은 면적당용량을 유지하였다. 이는 기존의 리튬이온전지가 갖는 1~3mAh/cm2 수준의 면적당용량을 크게 상회하는 값으로서 리튬-황 전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구에는 윤종혁 박사과정이 1저자로 참여하고 김도경 교수, UNIST 이현욱 교수가 교신저자로 참여했으며 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.
<Energy News>
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