월간전기



[신기술]고용량’리튬금속배터리, 4차 산업혁명 바람 타고 날개짓

2020-09-01

리튬금속배터리, 제4차 산업혁명, 효율, 수명 리튬이온보다 10배 용량 높아…덴트라이트 단점 극복해야 리튬이온배터리는 휴대전화 등 이동식 전자기기 전원 및 전기자동차 배터리로 널리 활용되고 있는 ‘대세’배터리다. 하지만 전기차 시장 확대 및 사물인터넷(IoT) 대중화 등으로 에너지 밀도가 높고 출력이 높은 차세대 배터리가 요구되고 있다. 이러한 시장 니즈에 따라 최근 리튬금속배터리가 그 대안으로 주목받고 있다. 이번 호에서는 리튬금속배터리 연구 현황과 상용화 가능성에 대해 소개한다. 글 김수진 기자 자료협조 UNIST, KIST 리튬금속배터리 연구 본격화 전기차 배터리의 에너지 밀도를 2배 이상 향상할 ‘리튬금속배터리’상용화가 이루어질 전망이다. 울산과학기술원(UNIST)의 정경민, 최남순 에너지 및 화학공학부 교수와 오필건 부경대학교 인쇄정보공학과 교수, 손윤국 조선대학교 전기공학과 교수로 구성된 연구팀은 향후 2년간 10억 원을 지원받아 리튬금속배터리 시스템을 위한 전극 설계와 소재 기술 개발에 나선다. 리튬금속배터리는 리튬금속을 음극으로 사용하는 배터리로, 현재 상용화된 리튬이온배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 전기차용 차세대 고용량 배터리로 주목받고 있다. 공동연구팀은 무게는 가벼우면서도 에너지 용량은 더 큰 차세대 전기차용 배터리 구현을 목표로 하고 있다. 연구팀은 리튬금속배터리 상용화를 위한 새로운 재료 개발에서부터, 촉매물질, 전해액, 전극기술과 배터리 시스템까지 배터리 개발 전 과정에 걸친 연구를 수행할 계획이다. 연구팀은 이미 시뮬레이션을 통해 900~1,000 Wh/L급의 리튬금속배터리를 구현할 수 있다는 결과를 확보했다고 밝혔다. 연구가 순조롭게 진행된다면 5분 충전으로 600 ㎞까지 주행할 수 있는 전기차 배터리의 상용화도 가능할 것으로 전망된다. 이번 연구를 위해 연구팀에는 각 분야를 담당할 전문가들이 참여하고 있다. 오필건 부경대 교수와 손윤국 조선대 교수는 모두 UNIST에서 박사 학위를 취득했다. 이들은 산업체 경험을 거쳐 각 대학 교원으로 임용됐으며, 차세대 배터리 소재 연구를 수행하고 있다. 연구책임자인 정경민 교수는 “현재 국내 배터리 생산기반과 제조기술을 가능한 그대로 이용하면서 고용량 배터리를 양산할 수 있도록 만드는 것이 목표”라며 “배터리 산업이 한 단계 도약하는데 실질적으로 기여할 수 있는 연구를 추진해나갈 계획”이라고 밝혔다. 한편, UNIST는 최근 산업통상자원부의 ‘산업혁신 인재성장 지원 사업’중 하나인 배터리 전문 인력양성사업 수행 대학으로 선정되기도 했다. 이에 따라 UNIST는 향후 5년간 ‘배터리 핵심 소재’전문 인력을 양성하게 된다. 이외에도, 삼성전자가 기초과학 발전과 산업기술 혁신을 위해 기금을 출연한 과학기술연구 지원 사업인 삼성미래기술육성사업의 지원도 받게 된다. 올해 상반기 연구과제로는 총 28건이 선정됐고, 이 가운데 UNIST에서는 정경민 교수를 포함 총 3건의 과제가 선정됐다. 부경대학교와 조선대학교는 이번 공동연구팀의 과제가 첫 선정 사례다. 양산형 리튬금속전지 연구에 착수한 UNIST 공동연구팀 KIST, 리튬-알루미늄 합금 음극재 개발 대용량 배터리가 필요한 산업계에서 리튬금속배터리는 매력적인 아이템이지만 폭발 가능성 때문에 그간 상용화가 어려웠다. 이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있는 가운데, 국내에서 리튬과 알루미늄 합금 음극재 대안을 제시해 주목을 끌었다. 지난해 한국과학기술연구원(KIST)의 에너지저장연구단 조원일 박사팀이 리튬금속배터리 상용화의 최대 걸림돌인 물리화학적 불안정성을 제거할 리튬-알루미늄 합금 기반의 새로운 음극재를 개발한 바 있다. 연구팀은 이와 함께 전해질 시스템을 최적화해 기존에 개발된 리튬이온배터리보다 수명을 2배 이상 끌어올리는 데도 성공했다. 리튬금속배터리는 리튬금속을 음극으로 사용하는 배터리다. 리튬금속은 현재까지 파악된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 갖고 있다. 또한 산화 환원 전위는 매우 낮아 경량화 및 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모았다. 하지만 리튬금속 표면에서 발생하는 덴트라이트1)문제로 그간 상용화가 어려웠다. KIST 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄에서 문제 해결의 실마리를 찾았다. 기존의 순수 리튬금속 음극을 리튬-알루미늄 합금으로 대체해 불안정성을 제어하는 한편, 음극 표면에 이황화몰리브덴(MoS) 기반의 초박막 인조보호막을 형성해 배터리 용량과 수명을 급격히 저하시키는 덴트라이트의 성장을 억제했다. 초박막 인조보호막은 조원일 박사가 개발한 인공 고체-전해질 계면상2)으로 이미 지난해 그래핀계 나노소재를 리튬금속 표면에 고르게 전사하며 성능과 안정성을 입증한 바 있다. 이번 연구에서는 특히 초박막 인조보호막의 실제 양산성 확보를 위해 그래핀 대신 이황화몰리브덴과 리튬-알루미늄 합금으로 가격을 낮추었을 뿐만 아니라, 복잡한 제조공정을 단순화하고 배터리의 안정화에 집중적인 연구가 진행됐다. KIST 조원일 박사는 “기존 리튬이온배터리의 용량 한계가 예상됨에 따라 리튬금속배터리 개발의 요구가 점증하고 있다”면서 “차세대 이차배터리 개발의 핵심인 리튬 음극 안정화와 전해질 기술이 고용량 배터리를 필요로 하는 드론, 자율주행차, 에너지저장시스템(ESS) 등의 발전에 기여할 수 있게 되기를 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원 아래 KIST 주요사업과 무인이동체 미래선도 핵심기술개발사업으로 수행됐으며 연구결과는 <사이언스 어드밴스>(Science Advances)에 게재됐다. LBS 코팅 기술을 이용한 이황화몰리브덴 LB(Langmuir-Blodgett) 막. 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase)와 리튬-알루미늄 합금을 이용한 음극과 덴드라이트의 성장 형태의 도해 리튬금속배터리의 잠재력3) 리튬이온배터리는 현재 상용되는 이차 배터리 중 성능이 가장 좋은 것으로 평가받고 있다. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해 타종의 배터리에 비해 작동 전압과 에너지 용량이 우수하다. 특히 반복적으로 충전 사용이 가능하고 충전 시 배터리 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없어 수명이 길다는 장점을 갖췄다. 이러한 강점 덕분에 1991년 일본의 소니(SONY)가 처음 상용화한 이래, 납축배터리와 니켈카드뮴배터리, 니켈수소배터리 등을 빠르게 대체하며 30년간 관련 시장을 이끌어왔다. 긴 수명과 높은 활용성에 더해 최근 4차 산업혁명이라는 호재까지 맞아 리튬이온배터리 관련 시장은 급성장했다. 마켓샌드마켓(MarketsandMarkets)이 올해 발표한 보고서에 따르면 세계 리튬이온배터리 시장규모는 2017년 322억 달러에서 지난해 400억 달러로 성장했고, 이후 연평균 14.9% 성장해 2024년에는 799억 달러 규모를 형성할 것으로 전망했다. 하지만 주로 가전제품에 사용되던 과거와 달리, 최근 전기자동차와 드론, 무인잠수정이 본격 개발되면서 사용시간이 길고 용량이 보다 큰 배터리 개발이 시급하다는 의견이 나오기 시작했고, 리튬이온배터리의 가장 큰 단점인 에너지 밀도 한계를 뛰어넘는 기술 확보의 필요성이 제기됐다. 단위 면적 당 에너지양을 의미하는 에너지 밀도는 사용시간과 연관된다. 즉 에너지 밀도가 높으면 사용시간이 길고 에너지밀도다 낮으면 사용시간이 짧아진다. 현재까지 개발된 일반 리튬이온배터리의 평균 에너지 밀도는 350 Wh/㎏로 상용화 초기 단계보다 3배가량 증가한 성과를 이뤄낸 건 사실이다. 미 에너지부(Department of Energy)도 리튬이온배터리 셀의 에너지 밀도는 2013년 130 Wh/L, 2016년 300 Wh/L 수준에서 발전해 2020년 현재 800 Wh/L까지 개선 가능성이 있다고 밝혔다. 하지만 전문가들은 리튬이온배터리의 밀도 향상은 결국 물리적 한계에 부딪힐 수밖에 없다고 보고 이에 대한 다양한 대안이 필요하다고 지적하고 있다. 특히 양극과 음극 재료의 특성이 에너지 밀도에 영향을 미치는 만큼 재료의 다변성을 도모하는 연구가 필요하다는 분위기를 타며 리튬금속배터리가 매력적인 차기 아이템으로 급부상하고 있다. 리튬이온배터리 개요 및 구조. (자료: 한국전기연구원) 용량 10배 리튬금속배터리, 매력적 아이템 재부상 사실 리튬금속배터리의 역사는 리튬이온배터리보다 길다. 1970년대 스탠리 위팅햄(Stanley Whittingham)이 이황화 타이타늄을 양극으로 하고 리튬금속을 음극으로 하는 리튬금속배터리를 처음 개발했다. 이후 1980년대 들어서 모리에너지사가 이황화몰리브덴을 양극으로 하고 과량의 리튬금속을 음극으로 하는 리튬금속전지 상용화에 도전했지만 배터리 폭발 문제로 리콜 조치됐다. 그 후 리튬이온배터리가 급부상하면서 리튬금속배터리는 사람들의 뇌리에서 잊혀졌다. 하지만 최근 고용량배터리 요구가 급증하자 리튬이온배터리보다 용량이 큰 리튬금속배터리, 즉 리튬금속을 음극으로 하는 방식이 다시 부상하게 됐다. 음극을 흑연으로 쓰는 리튬이온배터리의 경우 이론용량이 372 ㎃h/g이지만 리튬금속은 이론 용량이 3860 ㎃h/g으로 10배 이상 높은 이론용량을 자랑한다. 또한 표준수소전극(SHE) 대비 -3.040 V로 가장 낮은 전기화학전위와 0.534 g/㎤의 낮은 밀도로 리튬금속은 음극으로서 아주 큰 가능성을 갖춘 셈이다. 올 4월 키움증권 리서치센터가 낸 산업분석에 따르면 2025년까지 리튬이온배터리가 소재 개발로 진화하다 그 이후서부터는 용량이 큰 리튬금속배터리가 차세대 배터리로 상용화하면서 리튬이온배터리의 자리를 차지할 것으로 전망했다. 특히 고용량배터리 기술 확보가 필수인 자동차 기업들이 리튬금속배터리에 높은 관심을 보이고 있다. 글로벌 자동차 기업인 GM은 리튬금속배터리 기술을 보유한 솔리드에너지(Solid Energy)에 지분을 투자한 바 있으며, 프랑스 전기자동차 공유 서비스 기업인 볼로레(Bollore)도 리튬금속배터리 기술 확보를 통해 상용화에 성공한 바 있다. 폭발 유도 ‘덴트라이트’를 막아라 리튬금속배터리는 리튬금속을 음극으로 사용한다. 리튬금속은 현재까지 확인된 음극물질 중 최상급의 에너지 밀도를 자랑한다. 또한 산화 환원 전위가 매우 낮아 경량화와 대용량화가 필요한 이차전지에 가장 적합한 소재로 기대를 모은 바 있다. 하지만 리튬금속은 전해질 등과의 화학 반응성이 높아 폭발 위험성이 있다는 치명적인 단점이 있다. 리튬금속은 액체 전해액과 계면을 형성하는 경우 유기용매 또는 리튬염과 반응해 여러 가지 문제가 일어난다. 즉 리튬금속과 전해액 간 불용성 표면 성분들이 형성되는데 이는 SEI (solid electrolyte interface)라는 고체전해질 다층 피막을 형성한다. 이 피막 형성은 부식반응 정도에 영향을 미치는 요인이 되는데 여기에 더해 충전 시 수지상 덴트라이트(dendrite) 현상까지 발생한다. 덴트라이트란 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로, 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이에 부반응 등을 유발해 전지의 안정성과 수명을 떨어뜨린다. 따라서 상용화를 위한 기술적 한계를 뛰어넘으려는 다양한 시도들이 이뤄지고 있다. <참고>----------- 1) 금속 표면 일부에서 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 형태의 결정으로, 전극 부피팽창과 전극-전해질 사이에 부반응 등을 유발해 배터리의 안정성과 수명을 떨어뜨린다. 2) 인공 고체-전해질 계면상(Artificial Solid-Electrolyte Interphase): 각 전극과 전해액 사이에 일어나는 반응을 제어하기 위하여 양극 혹은 음극 표면에 인위적으로 만들어준 수∼수천 나노미터 두께의 얇은 층 3) 리튬금속배터리 연구 현황과 동향 등은 한국과학기술연구정보원, 한국전자기술연구원, 한국무역협회 등의 자료를 참고했다. < Energy News >