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[오토저널] 차세대 배터리 : 차세대 xEV 배터리 기술

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-11-02 11:04:01

본문

리튬 이온 배터리가 현재 시장에서 존재하는 다양한 이차 전지 중 전지 성능이 가장 우수하다는 것에 이견이 있는 사람은 없을 것이다. 그러나 전기자동차용 전원으로써 리튬 이온 배터리는 배터리 성능, 가격, 그리고 안전성 및 신뢰성 측면에서 해결해야할 기술적 이슈가 산적해 있다. 배터리 성능 측면에서는 1회 충전에서 가능한 주행 거리와 충전 시간은 기존 내연 기관 자동차에서 소비자가 기대하는 수준에 미치지 못하고 있다. 리튬 이온 배터리의 가격과 안전성·신뢰성 역시 전기차 시장 확대 및 차세대 전기차의 요구 성능을 맞추기 위해서는 기술적 혁신이 필요하다. 이러한 전기차용 구동 전원이 갖는 기술적 이슈들을 해결하기 위해 현존 리튬 이온 배터리의 기술적 진보와 함께 리튬 이온 배터리의 한계를 넘어 근원적 혁신이 가능한, 이른바 포스트-리튬 이온 배터리(Post Lithium-ion Battery)라고 불리우는 차세대 이차 전지 시스템이 전 세계적으로 활발한 연구·개발이 진행 중에 있다. 

가장 중요한 기술 혁신 방향으로 볼 수 있는 배터리 성능과 배터리 안전성의 근원적 혁신이 가능한 주요 차세대 이차 전지 시스템의 기본 원리와 향후 방향성에 대하여 이야기해보고자 한다.

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차세대 xEV용 이차 전지 개발 방향은 명확하다. 리튬 이온 배터리보다 에너지밀도와 안전성은 높아야 하며, 충전 속도는 기존 자동차의 주유 시간과 비슷하게 짧아져야 하며, 가격은 더욱 저렴해져야 한다. 에너지 및 기후 변화 대응을 위해 EU에서 설립한 EMIRI(Energy Materials Industrial Research Initiaitve)은 차세대 이차 전지 연구 개발 관련 기술을 <그림 1>과 같이 기술적 준비 상태 관점에서 전망하였다. 흑연 음극 소재를 채용한 현행 리튬 이온 배터리는 2025년 이내로 실리콘계 고용량 음극 소재와 니켈 함량이 높은 양극소재를 채택하여 고에너지밀도를 달성한 혁신형 리튬 이온 배터리(Advanced Lithium ion Battery)로 진화할 것으로 예상된다. 리튬 이온 배터리의 기술 혁신을 통해 달성 가능한 에너지 밀도는 현재 무게 기준 250Wh/kg, 부피 기준 700Wh/l에서 최대 350Wh/kg, 800Wh/l까지도 가능할 수 있을 것으로 예상되며, 1회 충전시 주행 거리는 500km 내외로 예상된다. 그러나 <그림 2>에서 볼 수 있듯이, 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 충전 상한 전압의 상승, 최적화 등을 통해 진보하였으나, 작동 원리 및 이에 기반한 전극 소재의 혁신 없이는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 태생적 한계를 넘어설 수 없다. 리튬 이온 배터리의 이론적으로 가능한 최대 에너지밀도를 넘어 보다 근원적인 혁신은 포스트 리튬 이온 배터리의 개발을 통해서 가능하리라 점쳐지고 있다. 

포스트 리튬 이온 배터리의 대표적인 예는 리튬-황(Lithium�Sulfur), 리튬-공기(Lithium-Air), 그리고 전고체 배터리(All Solid State Battery)를 들 수 있으며, <그림 1>에서 확인할 수 있듯이 예상되는 이차 전지 시장 진입 시점은 해당 배터리 기술의 준비 상태, 즉 기술적 성숙도에 따라 다르다.

리튬-황 배터리와 리튬-공기 배터리는 양극과 음극을 리튬 이온 배터리 대비 에너지 밀도를 높일 수 있는 재료로 바꿔 이론적으로 가능한 용량을 최소 5배 이상 높일 수 있다는데 가장 큰 장점이 있다. 반면, 전고체 배터리는 전지 구성 요소 중 전해질을 액체에서 고체로 바꿔 에너지밀도 고도화에 따른 전지의 안전성 저하 문제를 근본적으로 해결할 수 있다는 면에서 최근 차세대 xEV용 이차 전지로 크게 각광을 받고 있다<그림 3>.

리튬-황 배터리(Lithium-Sulfur Battery)
리튬-황 배터리는 음극재는 리튬 금속, 양극재는 황을 사용한다. 리튬 금속과 황은 매우 가벼운 소재로, 이론적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 전극 소재(흑연 : 음극, 전이금속산화물 : 양극) 대비 10배 이상의 용량이 가능한 소재로 리튬-황 배터리의 이론 에너지 밀도는 무게당 5배 이상 높다. 또한, 양극 소재로 사용되는 황은 자원이 매우 풍부하고 가격이 저렴하여 배터리 제조 원가를 대폭 낮출 수 있다는 면도 큰 장점이라고 볼 수 있다. 리튬-황 배터리 제조 공정은 기존의 리튬 이온 배터리 양산 공정을 대부분 그대로 활용할 수 있는데, 사업화 측면에서 매우 유리한 점이라고 판단된다. 그러나, 리튬-황 배터리의 성공적인 사업화를 위해서는 해결해야할 기술적 어려움이 존재한다. 

첫째로, 양극재로 사용되는 황의 낮은 전기 전도도를 극복할 수 있는 기술이 소재와 전극 측면에서 필요하다. 리튬-황 배터리의 원활한 충전 및 방전을 위해서는 부도체 황 주위에 탄소나 금속과 같은 전기 전도성이 우수한 재료를 추가하여야 한다. 문제는 이러한 전도성 물질의 추가적 사용은 황의 양을 줄이게 되어 배터리의 용량을 감소시킬 수밖에 없어 리튬-황 배터리의 장점인 고에너지밀도를 살릴 수 없게 된다. 이를 극복하기 위해 소재 및 전극 설계 관련 기술 혁신이 이루어지고 있다.

둘째로, 방전 중 양극에서 생성되고 전해질에 녹는 중간 반응물을 제어할 수 있는 기술이 필요하다. 양극에 고체 상태로 존재하던 황은 방전이 진행되면서 전해질 내 리튬 이온과 결합하여 3종류의 리튬-황 화합물(리튬 폴리 설파이드, Lithium polysulfide)로 변화한다. 문제는 방전 반응에 의해 생성된 중간 반응물이 전해질에 매우 잘 녹는다는 점이다. 이로 인해 양극 내 황의 양이 지속적으로 감소되며, 일부의 중간 생성물은 음극으로 이동하여 리튬과 반응하여 음극의 리튬 양 역시 지속적으로 감소시키게 된다. 그 결과, 충방전이 진행됨에 따라 리튬-황 배터리의 용량이 지속적으로 감소하는 문제가 발생하게 된다.

그 외에도 황 전극은 충방전 동안 부피 팽창 및 수축이 주기적으로 반복되어 리튬-황 배터리의 성능 열화를 가속시키며, 리튬 음극 표면이 지속적으로 전해질과 리튬-황 화합물에 노출되어 배터리 내부 저항이 지속적으로 증가되는 등 다양한 기술적 난제들이 해결되어야 한다. 이러한 문제를 해결하여 리튬-황 배터리의 상용화를 위해 전도성이 높고 가벼우며 기계적 물성이 우수한 양극 구조, 전해질 접촉을 막을 수 있는 보호막이 도입된 리튬 음극, 화학적 안정성이 높은 신규 전해질 등에 대한 연구 개발이 활발하게 진행 중에 있다.

리튬-공기 배터리(Lithium-Air Battery)
이름 그대로 공기 중 산소를 양극 소재로 활용하여 충방전 작동을 하는 배터리로 내연기관에 준하는 높은 이론 에너지 밀도를 갖고 있으며 이는 리튬 이온 배터리의 10배에 해당된다. 음극은 리튬-황 배터리와 마찬가지로 리튬 금속을 사용하며, 양극은 공기 중 산소가 반응할 수 있도록 해주는 다공질 탄소와 촉매로 이루어져 있다. 

작동 원리는 유기 전해질을 사용하는 경우, 방전시 음극에서 이동한 리튬 이온이 양극으로 이동하여 공기 중 산소와 반응하여 과산화리튬(Li2O2)를 형성하며, 충전은 역반응을 통해 진행된다. 리튬 금속 대신 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 금속을 음극으로 사용할 수 있으며, 이러한 금속-공기 배터리는 공통적으로 높은 에너지 밀도를 갖고 있어 차세대 이차 전지 중 유망한 기술로 다양한 용도로 활발하게 연구 개발이 진행중이다.

2009년 IBM에서 ‘Smarter Planet’을 구현할 수 있는 유력한 기술군 중 내연기관 동등 수준의 이차 전지로 리튬-공기 배터리를 발표하고 Battery 500 Project 개발에 착수하며 전세계적으로 활발한 연구 개발을 진행 중에 있다. <그림 1>에서 확인할 수 있듯이, 리튬-공기 배터리는 포스트 리튬 이온 배터리 중에서도 가장 상용화 시점이 늦다. 

이는 리튬-공기 배터리가 갖고 있는 기술적 난제와 현존 기술의 한계 때문이다. 리튬-공기 배터리의 대표적 난제로는 방전 산물인 과산화리튬의 불용성 문제, 충전과 방전 전압 사이의 큰 차이에 따른 낮은 에너지 효율, 리튬 금속 사용에 따른 낮은 신뢰성 및 안전성을 들 수 있다. 리튬-황 배터리에서 방전 산물인 리튬-황 화합물로 인한 문제 발생을 해결하는 것이 리튬-황 배터리의 핵심적인 기술 이슈인 것과 마찬가지로, 리튬-공기 배터리의 가장 큰 난제 중 하나가 방전 반응 및 반응 산물을 어떻게 제어할 것인가이다. 

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대표적인 방전 산물인 과산화리튬(Li2O2)은 방전시 고체 상태로 다공성 탄소로 이루어진 양극에 쌓이게 되어 공기 중 산소가 반응할 수 있는 면적을 감소시켜 용량 감소를 초래한다. 또한 과산화리튬은 전기 전도도와 이온 전도도가 매우 낮고, 충전시 완전히 분해되기 위해서는 양극의 충전 전압이 방전 전압보다 매우 높아야 한다. 문제는 높아진 충전 전압은 과산화리튬 외 전해질의 분해 등 원하지 않는 부반응을 초래한다는 점이다. 이렇게 되면 전해질은 고갈되며, 양극에 부반응 산물이 축적되어 결과적으로 리튬-공기 배터리의 안정성과 수명 특성을 저하시키는 중요한 원인으로 작용한다. 앞서 언급한 바와 같이, 방전과 충전 반응 전압의 큰 차이는 충전 전력 대비 사용할 수 있는 방전 전력의 감소를 초래하게 되며, 이러한 낮은 에너지 효율 문제가 해결되어야만 리튬-공기 배터리의 상용화가 가능하리라 판단된다.

그 외에도 질소, 이산화탄소 등 공기 중 다른 성분을 여과할 수 있는 장치, 지속적인 산소 공급을 위한 송풍 장치(Blower) 등 추가 부대 장치가 필요하다는 점도 에너지 밀도 저하를 초래한다는 점도 간과할 수 없는 리튬-공기 배터리의 기술적 이슈라고 볼 수 있다. 

전고체 배터리(All Solid-State Battery)
차세대 xEV용 이차 전지 중 최근 가장 주목을 받고 있는 있는 배터리 시스템으로, 전해질로 앞서 언급한 배터리 시스템과 달리 고체 전해질을 사용하는 것이 가장 큰 차별점이다<그림 4>. 고체 전해질 채용을 통해 배터리를 구성하고 있는 모든 소재와 고체화 되면, 리튬 이온 배터리에서 문제가 되는 발화, 폭발 등 안전성 이슈를 근원적으로 해결할 수 있다. 전극 제조 후 후공정으로 주입해야 하는 액체 전해질과 달리, 고체 전해질은 전극 소재와 마찬가지로 전극 제조 공정 중 투입이 가능하여 전극 내 균일한 분포가 가능하다. 이를 통해 전극 후막화에 따른 전극 저항 증가 등 문제를 해결할 수 있어 리튬 이온 배터리 대비 고출력, 고용량화가 가능하다는 점도 액체 전해질 기반 이차 전지 대비 특장점이라고 볼 수 있다. 저온에서 얼어버리는 액체 전해질과 달리, 저온에서도 높은 이온 전도도를 갖는 고체 전해질은 저온에서 용량이 급격하게 감소하거나 작동이 되지 않는 등 전기차 사용자의 가장 큰 애로사항 중 하나로 볼 수 있는 저온에서 배터리 성능 열화 문제를 해결할 수 있어 동한기 주행거리 감소 이슈에 근본적인 대안이 될 수 있다.

이러한 단전지 레벨에서 기대할 수 있는 장점 외에도 전지 적층화와 안전성 관련 부품 최소화 등이 팩 및 모듈 레벨에서도 추가적인 에너지 밀도 고도화가 가능하다는 점도 전고체 배터리에서 기대할 수 있는 장점이라고 볼 수 있다. 이러한 장점으로 인해 전기차 기술 리더쉽 확보와 경쟁력 제고를 위해 완성차 업체를 중심으로 활발한 연구 개발이 진행되고 있다. 특히, Toyota는 2022년에 전고체 배터리 기반 전기차를 출시하겠다는 계획을 발표하는 등 발빠른 행보를 보여주고 있다. 

그러나, 분명해야 할 것은 이러한 전고체 배터리의 차별화된 장점은 아직까지 이론적으로 기대할 수 있는 수준이며, 현실적으로는 기술적 난제들이 산적해 있다는 점이다. 고체 전해질 소재 측면에서는 리튬 이온 전도도가 액체 전해질 동등 수준이 되어야 하며, 전극 소재와 접촉하는 계면이 액체 전해질 수준으로 잘 유지될 수 있는 기계적 유연성이 확보되어야 한다. 

현재까지 이러한 기준에 가장 적합한 소재는 황화물계 전해질을 들 수가 있으나, 공기 중 수분과 반응성이 높다는 문제가 있다. 특히, 수분과 만나면 인체에 유해하고 부식성이 높은 황화수소가 발생하기 때문에 이를 억제할 수 있는 소재의 추가적인 개선과 전지 레벨에서의 대책이 필요하다. 고체 전해질 소재 적용시 발생하는 또 다른 기술적 이슈는 역시 고체인 전극 소재와의 접촉 문제이다. 전해질과 전극 소재 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하기 위해서는 접촉하는 계면을 극대화해야 하며 계면에서 발생할 수 있는 저항을 최소화해야 한다. 이를 위해 계면 저항을 최소화할 수 있는 소재 측면에서의 혁신 기술을 개발 중에 있으며 제조 공정 및 셀 레벨에서도 다양한 접근 전략이 제안되고 있다. 

이러한 기술적 이슈들로 인해, 전고체 배터리의 성공적 개발을 위해서는 기존 리튬 이온 배터리 기술과는 근본적으로 다른 소재, 전지 설계, 제조 공정의 혁신이 필요한 상황이다.

글 / 김한수 (한양대학교)
출처 / 오토저널 2020년 8월호 (http://www.ksae.org) 
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