[IT] 차세대 먹거리, 배터리

오래가는 배터리 - 대용량 2차전지

  현재 실용화된 리튬 2차전지는 약 100-150Whkg-1의 에너지 밀도를 보인다. 이 전지를 전기자동차에 적용하면 150km를 달릴 수 있는 성능으로, 보통의 내연기관 차량이 연료를 가득 넣고 달릴 경우 800km를 달리는 것과 비교하면 효율성이 대단히 떨어진다. 즉 전기 자동차를 밤새 충전하고 서울에서 출발해 고속도로를 달리면 대전 즈음 도착해 다시 수시간 충전을 해야 다음 여정을 떠날 수 있음을 의미한다. 따라서 전기자동차의 성능에 요구되는 2차전지는 현재 용량의 2-5배의 에너지 밀도를 가지는 배터리의 개발이 필요하며, 이러한 배터리를 사용할 경우 전기자동차를 기준으로 480-640km의 거리를 연속적으로 주행할 수 있다. 즉 현재의 리튬 2차전지를 대체할 수 있는 대용량 2차전지의 개발이 절실하게 요구되는 것이다. 이를 실현하기 위한 노력의 일환으로 배터리에 적용되는 여러 재료들을 새로운 물질로 대체하기 위한 연구들이 진행되고 있으며, 이는 크게 양극과 음극에 사용되는 전극 활물질의 개발로 나뉠 수 있다. 많은 차세대 전지 중에서 현재 주목을 받고 있는 Li-S 및 Li-O2전지는 기존의 상용화된 리튬 2차전지의 양극 활물질을 새로운 물질로 대체한 전지이다. 기존의 리튬이온 전지보다 적게는 2배에서 많게는 12배의 에너지를 가지는 전지를 개발할 수 있다는 연구결과가 나오고 있다. 이것이 실현된다면 위에서 전기자동차에 요구되는 성능을 충분히 충족시킬 것으로 기대된다.

  Li-S전지는 황과 리튬 금속을 각각 양극과 음극의 활물질로 사용한 전지 시스템이다. 황(S)은 전기화학적으로 반응할 수 있는 리튬원소의 비율이 기존의 리튬금속산화물 보다 2배이면서 host atom의 무게가 1/3에 가까우므로 이론상 높은 에너지밀도를 실현할 수 있다. 또한 황은 지구상에서 16번째로 풍부한 원소로서 전세계 매장량은 약 25억 톤으로 추정된다. 이렇듯 많은 장점을 가지고 있음에도 실용화를 위해서는 넘어야 할 벽이 너무나도 많다. 가장 큰 문제점으로, 전지의 사용 횟수가 너무나도 비효율적이다. 현재 실용화된 전지에 사용되는 전해질은 주로 유기용매를 사용하고 있으나, 황은 이러한 유기용매에 쉽게 녹아버리는 물리적인 특성이 있다. 따라서 수 차례 충·방전을 반복하면 전극상에 존재하던 황이 전해질에 녹아버려서 용량이 현저하게 줄어들게 된다. 이와 더불어 황의 낮은 전기 전도성은 전지의 고속 충·방전에 있어 단점으로 작용하며, 특히 온도가 낮은 환경에서 전지 작동에 불리하게 작용한다. 이러한 단점을 보완하기 위해 나노 기술을 적용해 황이 녹지 않도록 코팅을 하거나, 잘 녹지 않는 전해질을 개발하기 위한 연구들을 진행하고 있고 가시적인 성과들도 보고되고 있다. 하지만 실생활에 적용하기 위해서는 아직 많은 기술적인 보완을 요구하고 있다.

  Li-O2전지는 리튬이온과 공기중의 산소가 화학반응을 하고 이를 통해 전기를 저장할 수 있는 점에 착안해 설계됐다. 기존의 리튬 2차전지나 Li-S전지의 경우는 양극 활물질로서 리튬금속산화물이나 황을 사용하지만, Li-O2전지의 경우 공기중의 산소를 사용하기 때문에 추가적인 양극활물질을 사용하지 않게 되므로 에너지밀도를 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 Li-S전지와 마찬가지로 극복해야 할 기술적인 문제점들이 너무 많다. 예를 들어 연구실 수준에서 사용하는 고순도의 산소로도 우수한 성능을 확보할 수 없기 때문에, 대기중의 공기를 사용할 경우 그 성능이 더욱 나빠질 것으로 예상된다. 또한 전해질이 공기중으로 증발해 버리거나, 충·방전 중 화학 반응에 만들어지는 무기물이 공기가 통하는 기공을 막아버려 불과 몇 차례 충·방전 만에 용량이 떨어지는 결과를 보이게 된다.

양극활물질의 개발과 더불어 음극활물질의 개발 역시 활발하게 이뤄지고 있다. 현재 상용화된 전지의 음극활물질은 흑연전극이 사용되고 있으며, 이는 리튬금속산화물 양극활물질에 비해 상대적으로 높은 용량을 제공하고 있다. 차세대 음극 활물질로서 실리콘, 주석, 게르마늄 등 다양한 금속들이 큰 주목을 받고 있다. 이러한 금속들은 리튬이온과 가역적으로 반응할 수 있고, 그 반응 전위가 흑연에 가까운 장점을 가지고 있다. 게다가 전기화학적으로 반응할 수 있는 리튬이온의 비율이 흑연에 비해 많게는 25배까지 가능하므로 산술적으로 계산되는 이론용량이 적게는 2배에서 많게는 10배 이상의 값이 기대된다. 이러한 장점에도 불구하고 충·방전 중에 나타나는 큰 부피 변화로 인해 상용화에는 많은 기술적 개선이 요구된다. 최근 눈부시게 발전하고 있는 나노 재료들을 복합적으로 사용해 이러한 단점을 개선해 나가고 있다.

스마트한 배터리 - 플렉시블, 웨어러블 배터리

  불과 십여 년 전까지만 해도 휴대폰으로 인터넷을 하거나, 이메일을 주고받고, 현재위치를 지도로 확인하는 것은 상상 속에서나 가능한 일이었다. 하지만 스티브 잡스의 스마트 혁명 이후 스마트 기기들의 발전이 눈부시게 이뤄졌고, 현재는 휴대폰뿐만 아니라 안경, 시계, 반지, 팔지 등에 스마트 기술을 접목시킨 많은 종류의 기기들이 탄생했다. 이러한 스마트 기기들은 장신구의 형태를 띠는 특성 때문에 몸에 직접 착용하는 웨어러블 기기로도 불리고 있다. 하지만 이러한 스마트기계의 발전가능성, 한계성 및 시장성 역시 전지의 성능과 밀접하게 관련된다. 소형의 디자인이 특징이기 때문에 내장될 수 있는 배터리의 크기나 형태 역시 제한적이다. 따라서 기존에 개발돼 있는 소형 배터리를 사용할 경우 특유의 디자인을 구현하거나, 배터리의 용량을 극대화하는데 제한적일 수밖에 없다. 이러한 단점을 해결하기 위한 노력으로 신개념의 전지들을 개발하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있으며 대표적 예로 상하좌우로 자유롭게 휘는 플렉시블 배터리를 들 수 있다. 휘는 전지를 사용할 경우, 기기 내부에 전지를 장착하는 부분에 공간적인 한계성을 극복 할 수 있는 장점이 있으며, 플렉시블 디스플레이와 접목할 경우 휘는 플렉시블 스마트폰의 개발도 기술적으로 더 발전할 수 있다.

  이러한 플렉시블 배터리의 실현을 위해서는 전극 물질을 비롯한 분리막, 전해질 등이 우수한 내구성을 지니고 있어야 하며, 반복적으로 접고 펴지는 과정에서 기계적 피로를 최소화 시킬 수 있는 유연성과, 부수적으로 발생하는 열에도 잘 견딜 수 있는 내열성을 필요로 한다.

  지금까지 총 5회에 걸쳐 리튬 2차전지에 대해 알아봤다. 첫 연재기사에서 강조했듯 리튬 2차전지 시장의 잠재적인 경제성은 미래산업 전반의 먹거리로 여겨지고 있다. 리튬이온 전지의 가치는 산업 전반을 가로질러 밀접하게 연계돼 있고, 전지 성능의 우수성이 관련 산업의 성공을 좌우하기도 한다. 따라서 리튬이온 전지와 관련된 우수한 인력 양성과 더불어 정부와 민간기업들의 연구 개발에 대한 적극적인 투자가 미래의 다양한 첨단 기술 산업의 우위를 선점할 수 있는 밑거름이 될 것이다.