1991년 SONY에 의해 처음 상용화된 리튬이온전지는 가벼우면서도 높은 에너지밀도를 가져 기존 니켈수소전지 등을 대체하고 전기자동차의 에너지원으로 각광받고 있다. <그림1>과 같이 다양한 형태의 리튬이온전지가 존재하나 기본적으로 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되며 작동 원리도 동일하다.

전기자동차의 주행거리를 좌우하는 것은 전지를 구성하는 양극재와 음극재가 얼마나 많은 리튬을 담을 수 있는지에 의해 결정된다. 우선 양극재는 리튬이온전지 원가의 약 35~40%를 차지하며 Layered계(NMC, NCA 등), Olivine계(LPF), 그리고 Spinel계(LMO)가 주로 사용 되고 있다. 그 중에서 NMC는 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co)로 구성된 물질로서 이들의 비율에 따라 NMC111, NMC622, NMC811 등으로 구분된다. 니켈의 함량이 커질수록 전지의 용량이 커지므로 <그림 2>와 같이 점차 NMC811로 넘어가는 추세이다. 전지의 에너지밀도가 커짐에 따라 화재와 폭발사고도 증가하고 있는데, 최근에는 NMC에 Al을 첨가하여 전지의 안정성을 강화한 NMCA 양극재도 국내 기업에서 활발하게 연구되고 있다.

리튬이온전지의 음극재로 주로 사용되는 흑연(~330mA/g)에 비해 리튬금속은 약 10배의 용량을 가지므로 이상적인 음극재이나, 리튬금속 음극은 충방전을 반복함에 따라 <그림3>과 같이 음극과 분리막의 계면에 Lithium dendrite가 형성되면서 이것이 부드러운 소재인 고분자 분리막을 관통하여 양극과 닿으면서 내부단락이 발생할 우려가 크다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 최근에는 분리막과 전해질이 고체로 이루어져 안전성을 강화한 전고체 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

전고체 전지는 <그림 4>와 같이 이온전도성을 가진 고체전해질 알갱이가 전극 내부의 활물질입자간의 공간을 채우는 구조이다. 분리막이 따로 없으며 고체전해질 알갱이가 양극과 음극 사이에 Layer를 구성한다.

이와 같은 전고체 전지는 Lithium dendrite를 방지할 수 있으므로 리튬금속을 음극재로 사용할 수 있어서 차세대 전지의 개발에 있어 가장 중요한 기술 중 하나이다. 또한, 기존의 리튬이온전지가 전지 내부에서 전해액을 공유함으로써 하나의 전지 내부에서 직렬 구성이 어려운 것에 비해 전고체 전지는 고체전해질을 사용하여 인접 전극과 바이폴라구조를 구성할 수 있으므로 하나의 전지로 고전압을 구성하고 전기자동차용 배터리팩을 보다 컴팩트하게 구성할 수 있는 장점도 있다.

리튬공기전지는 다공성탄소를 이용하여 양극을 구성하고 리튬금속을 음극재로 사용한다. 리튬이온과 공기중의 산소가 결합하여 Li2O2를 생성하면서 방전이 이루어지고 Li2O2가 다시 리튬이온과 산소로 분해되면서 충전이 된다. 기존의 리튬이온전지가 무거운 리튬금속산화물을 양극재로 사용하는 것에 비해 양극을 매우 가볍게 만들 수 있으므로 리튬금속음극과 조합하면 기존의 리튬이온전지보다 10배 이상 높은 에너지밀도를 얻을 수 있으므로 꿈의 배터리로 불리운다.

그러나, 리튬공기전지는 충방전시에 Li2O2 이외 다양한 부산물이 생성되어 전지의 성능을 저하시키며 충전시에는 Li2O2를 분해하는데 많은 에너지가 필요한 문제가 있어 극복되어야 한다.

황(S)은 정유공장의 탈황시설에서 부산물로서 엄청난 양이 발생하지만 막상 활용도가 별로 많지 않아서 거의 공짜로 사용할 수 있는 물질이다. 따라서 황을 리튬이온전지의 양극재로 사용할 수 있다면 전지의 가격을 기존 리튬이온전지의 약 60% 수준으로 낮출 수 있다. 리튬황 전지는 리튬메탈로 음극을 구성하고, 황과 다공성 탄소를 이용하여 양극을 구성한다. <표 1>은 리튬이온전지 타입별 특성을 보여준다. 리튬황 전지는 에너지밀도가 매우 높은 장점이 있으나, 다른 타입의 전지에 비해 전압이 낮다는 단점도 존재한다. 또한, 충방전을 반복함에 따라 황과 전해질이 직접 화학적으로 반응하여 Polysulfide라는 부산물을 생성하고 이것이 전지의 성능을 저하시키는 문제가 있으므로 이러한 문제 또한 상용화를 위해서는 극복해야 한다.

지금까지 전기자동차용 차세대 배터리의 주요 기술에 대해 살펴보았다. 이러한 기술들의 발전 방향은 <그림 6>으로 요약될 수 있다. 1단계로 기존 리튬이온전지의 전해질과 분리막을 고체로 대체하는 전고체 전지 기술이 필요하며 이를 이용하여 리튬금속을 음극재로 사용할 수 있다. 다음으로 양극재로 황(S)을 사용하는 리튬황 전지와 공기를 사용하는 리튬공기 전지의 개발로 이어질 수 있다.