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국내 연구진 전고체 배터리 양산 성공차세대 배터리, 고체전해질 신소재 개발

국내 연구진이 전고체전지용 고체전해질 신소재 성능과 양산성을 크게 개선하는 데 성공했다. 리튬이온전지 기반 전기차와 에너지저장장치(ESS) 화재가 잇따라 발생하면서 화재와 폭발 위험이 없는 배터리로 전고체전지가 주목받았다. 


이재용 삼성전자 부회장과 정의선 현대차 수석부회장이 차세대 배터리로 주목받는 ‘전고체 배터리’ 기술 현황을 공유한 일이 알려지며 화제가 됐다. 전고체 배터리는 배터리 양극과 음극 간 이온을 전달하는 전해질을 액체 대신 고체 물질을 쓰는 배터리다. 재계 1,2위 기업이 전기차부터 에너지저장장치(ESS) 같은 미래 산업을 이끌 핵심인 배터리 개발에 손을 잡은 신호일 수 있기 때문이다. 실제로 국내 배터리 업계는 전고체 배터리를 유력한 차세대 기술로 꼽고 있다. 산업통상자원부와 기업들의 투자로 하반기 45억3000만원 규모의 ‘리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술개발사업’에서 지원하는 관련 연구만 8개에 이른다. LG화학과 삼성SDI, SK이노베이션 등 국내 배터리 3사가 투자에 나서 일명 ‘3사 과제’로 불리는 이번 사업이 전고체 배터리를 유력한 미래기술로 지목한 것이다.

 

안정성 높고 환경 변화에도 강한 전고체 배터리
현재 전기차 등에서 가장 많이 쓰이는 2차전지인 리튬이온 배터리는 전해질이 액체다. 고온에서 반응을 일으켜 가스로 변해 폭발할 위험이 있다. 간혹 폭발과 화재 사고가 나기도 했다. 전고체 배터리는 이런 폭발 위험에서 자유롭고 환경 변화에도 강하다. 리튬이온 배터리는 전지 여러 개를 직렬로 연결해야 에너지 밀도가 높아져 공간이 많이 필요하다. 반면 전고체 배터리는 전지 하나에 전극과 고체 전해질을 층층이 연결하는 방식이라 크기가 줄어든다.  

한국과학기술연구원(KIST)은 김형철 에너지소재연구단 박사팀이 액체전해질과 동등한 수준의 이온전도도를 지닌 황화물계 슈퍼 이온전도성 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구진은 아지로다이트(argyrodite)라 불리는 황화물 결정 구조를 활용해 슈퍼 이온전도성을 구현하는 고체전해질을 개발했다. 리튬 이온이 자유롭게 이동할 수 있는 액체전해질과 달리 고체전해질은 리튬 이온의 이동이 고체 격자내에 갇혀 있는 구조적 특성이 있다. 이를 극복하는 것이 전고체전지 상용화의 관건이라고 평가받았다. 김형철 KIST 박사팀은 특정 원자 위치에 할로겐 원소인 염소(Cl)를 선택적으로 치환하는 기술을 확보해 팔면체 케이지를 넘나드는 리튬 이온 경로를 새롭게 발현했다. 연구진이 보고한 새로운 합성법을 활용하면 슈퍼 이온전도성 소재를 빠르게 양산할 수 있다. 기존 공정은 수일 이상의 합성 공정이 필요했다. 연구진은 나노결정핵을 실시간으로 형성하는 고에너지 공정과 적외선 급속 열처리 기술을 조합한 합성법을 제안해 공정시간을 10시간 이내로 줄였다. 
김형철 KIST 박사는 “전고체전지는 일본을 비롯한 외국 연구진이 주도하고 있는 상황인데, 우리나라의 원천 기술로 고성능 배터리 소재 기술을 개발한 것에 큰 의의가 있다”며 “대량 생산과 상용화 가능성이 큰 기술로 향후 전기자동차와 ESS에 폭넓게 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 


산화물은 세라믹 특유의 딱딱한 재질때문에 배터리내 음극과 양극에 붙이기 어렵다. 최근 연구가 시작된 고분자는 소재가 워낙 많아 유망하다는 평가를 받으나 전도도가 아직 황화물의 10분의 1 수준이다. 고온에서 다른 재료에 비해 약한 점도 단점이다. 반면 황화물은 전도도가 높은 편이고 물렁물렁해황 공정에 적용하기도 쉽다. 김형철 KIST 책임연구원은 “황화물은 진흙이라고 생각하면 된다”며 “누르기만 해도 잘 달라붙어 모양을 만들기 쉽다”고 말했다. 황화물도 단점은 있다. 습기에 반응해 달걀 썩는 냄새로 알려진 유해가스인 황화수소가 나온다. 이 센터장은 “미국에선 안전 문제에 매우 민감해 산화물 연구를 주로 하는 편”이라며 “하지만 미국에서도 최근 황화물 연구가 늘고 있다”고 말했다. 전고체 배터리는 아직은 액체 전해질 수준으로 전도도를 높이는 게 과제다. 이 센터장 연구팀은 최근 황화물의 특정 원소 농도를 극과 닿는 부분에서부터 점차 떨어지도록 조절해 이온이 빠르게 지나가는 소재를 개발했다고 소개했다. 

삼성전자 전고체 에너지 수명 안정성 높인 최고 기술 
전해질 소재가 개발되면서 소재와 맞붙은 양극과 음극을 고도화하며 상용화를 앞당길 기술들도 개발되고 있다. 삼성전자 종합기술원은 올해 3월 ‘석출형 리튬음극’을 적용해 전고체 배터리의 수명과 안전성을 동시에 높인 기술을 국제학술지 ‘네이처 에너지’에 발표했다. 음극 두께를 얇게 만들어 에너지 밀도를 대폭 올린 기술이다. 삼성전자에 따르면 기존 전기차의 2배 수준인 1회 충전에 800km를 주행하고 재충전도 1000회 이상 가능하다. 이 기술은 지금까지 나온 전고체 배터리 중 가장 앞섰다는 평가를 받고 있다. 이 센터장은 “가장 획기적인 결과로 전고체 배터리 플랫폼이 완성되어 간다는 의미”라며 “전고체 배터리가 시장에서 통할 수 있음을 메시지로 전한 것”고 말했다. 김 책임연구원은 “3사 과제도 공정 개발과 전지 개발 관련 과제가 7건”이라며 “이제는 소재 개발뿐 아니라 상용화에 다가가는 연구가 더욱 활발히 진행되는 것”이라고 말했다.
전문가들은 전고체 배터리를 비롯한 차세대 배터리 개발이 미래 시장을 개척하는 데 도움을 줄 것이라고 조언하고 있다. 일본은 도요타를 중심으로 한 대규모 민관 컨소시엄을 조성해 이르면 2022년까지 전기차 배터리용으로 상용화에 나섰다. 일본은 관련 기술은 철저히 비밀에 부치면서 특허를 통해 기술을 장악해 나가고 있다. 리튬이온 배터리를 먼저 개발했는데도 한국에 지위를 뺏기며 전기차 시장 진입이 늦어져 내준 아픈 기억이 있다. 이 센터장은 “기술을 확보하지 않으면 배터리도 소재·부품·장비처럼 일본에 끌려다닐 수 있다”며 “양산되지 않은 산업 후보군이라도 미래를 생각해 선점하는 전략이 필요하다”고 말했다.
 

장수명 배터리 등 미래 기술·개발 방향성 공유
한편 현대차그룹 경영진은 LG화학이 개발에 집중하고 있는 장수명(Long-Life) 배터리와 리튬-황 배터리, 전고체 배터리 등 미래 배터리의 기술과 개발 방향성을 공유했다. 현재 현대차그룹은 현대·기아차가 생산하고 있는 하이브리드카와 현대차 코나 일렉트릭, 아이오닉 일렉트릭 등에 LG화학 배터리를 적용하고 있다. 장수명 배터리는 기존 배터리보다 5배 이상 더 오래 사용해도 성능이 유지되는 배터리다. 
LG화학은 장수명 배터리 개발을 위해 빅데이터와 AI 등을 활용해 축적된 배터리 소재 기술을 더욱 강화하고, 배터리 상태를 실시간으로 진단하고 분석해 최적의 상태로 관리해주는 인공지능 알고리즘 개발에도 속도를 내고 있다. 리튬-황 배터리는 양극재로 황탄소 복합체, 음극재로 리튬 메탈 등 경량 재료를 사용해 무게 당 에너지 밀도가 기존 리튬이온 배터리 대비 2배 이상 높고, 희귀 금속을 사용하지 않아 가격경쟁력도 뛰어난 배터리다. 향후 이 배터리가 전기차에 적용되면 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있을 전망이다. 전고체 배터리는 배터리 내부 액체 전해질을 고체 전해질로 변경해 안전성을 향상 시킬 수 있는 배터리다. 현재 리튬이온 배터리의 양산 공정을 활용할 수 있는 타입의 전고체 배터리를 개발 중이다.                      

이동현 기자  jineui@naver.com

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