'산소로 배터리를?' 차세대 2차전지는?

도요타의 전고체배터리 장착 전기차 컨셉트. (사진=도요타)

 

언론보도에 따르면 삼성전자가 중국에서 리튬에어배터리 특허를 출원했다고 합니다. 보도내용에 따르면 삼성전자는 지난달 29일(현지시간) 중국 국가지적재산권국(SIPO)에 '혼합도체·리튬공기전지 제조 방법에 관한 특허'를 등록했다고 합니다. 특허번호는 'CN111333122B'로 출원일은 2020년 6월 26일이었습니다.

 

[더구루] [단독] 삼성전자, '배터리 끝판왕' 리튬공기전지 中특허 확보

 

 

현재의 2차전지 시장은 3원계 리튬이온배터리, 리튬인산철배터리(LFP), CATL의 나트륨 배터리 등 다양한 배터리가 등장하고 있는데, 산소를 활용한 배터리도 개발 중이라는 사실이 매우 흥미롭습니다. 그래서 현재 연구되고 있는 차세대 2차전지에는 무엇이 있을지 공부해봤습니다.

 

◆전고체배터리

 

전고체배터리는 차세대 2차전지 시장에서 가장 주목받는 배터리입니다. 리튬이온배터리는 양극과 음극 사이에 통로역할을 하는 전해질이 액체 상태입니다. 이런 특성으로 인해 기존 리튬이온배터리는 온도에 따라 얼거나 기화돼 팽창할 수 있습니다. 이로인해 겨울철 배터리 효율 감소나 폭발사고 등이 발생할 가능성이 있습니다.

 

반면 전고체 배터리는 전해질이 고체인 배터리입니다. 그래서 폭발 위험에서 자유로울 뿐 아니라 0도 이하 낮은 온도나 60~100도의 고온에서 전도 성능이 향상돼 리튬이온배터리의 단점을 해결할 수 있습니다.

 

이외에도 전고체배터리는 별도의 분리막이 필요하지 않아 배터리 크기를 줄일 수 있을 뿐 아니라 얇게만들어 구부리거나 마는 형태로 다양하게 배터리팩을 제작할 수 있습니다. 크기가 작으면서 가볍고 용량이 높으면서 폭발 위험도 없어 전고체 배터리는 2차전지 혁신의 선두에서 큰 관심을 받고 있습니다.

 

전고체배터리의 상용화는 2025년정도로 전망되고 있습니다. 배터리 기업들은 △전극과 전해질 간의 높은 저항 △전체질 소재의 높은 가격 등의 문제를 해결하기 위해 개발에 박차를 가하고 있습니다.

 

LG화학의 리튬황배터리를 장착하고 성층권 비행에 성공한 무인기. (사진=LG화학)

 

◆리튬황배터리

 

리튬황배터리는 코발트 등을 대신해 양극재에 황나노물질을 이용한 배터리입니다. 이론상으로 리튬이온배터리보다 에너지밀도가 5배 높고 매우 저렴한 황을 사용하는 만큼 가격도 쌉니다. 여기에 밀도를 낮게 할 수 있어 배터리의 무게도 가벼워질 수 있어 효율적인 사용이 가능해집니다.

 

충·방전 방식에도 차이가 있습니다. 리튬이온배터리는 리튬이온이 양극과 음극을 넘나들며 충전과 방전이 이뤄지는데 반해 리튬황배터리는 '황의 단계적 전환'을 통해 충·방전이 이뤄집니다.

 

리튬황배터리의 단점은 수명이 짧다는 것입니다. 충·방전이 반복되는 과정에서 양극에 존재하던 황이 전해질 내 리튬이온과 결합해 리튬 황 화합물로 변하고 방전 반응에 생성된 중간 물질이 전해질에 녹아서 양극재에 황이 지속적으로 감소한다고 합니다. 황의 지속적인 감소는 배터리 용량의 감소로 이어지며 이는 수명을 단축하는 효과를 만들어내는 것입니다. 하지만 리튬 음극과 새로운 전해질을 개발하며 이 문제를 해결하고 있고 국내 기업중에서는 LG에너지솔루션이 2024년 상용화를 목표로 개발 중이라고 합니다.

 

리튬에어배터리 원리. (사진=위키미디어 커먼스)

 

◆리튬에어배터리

 

리튬에어배터리는 양극 소재로 산소를 사용한다는 점이 꿈의 배터리로 불리게 합니다. 리튬황배터리와 같이 리튬금속 음극재를 사용합니다.

 

리튬에어배터리는 리튬이온배터리에 비해 10배 이상 높은 에너지밀도를 가질 수 있다고 합니다. 또한 셀구조가 단순할 뿐 아니라 가벼워 소형 기기에도 사용할 수 있는 확장성을 가지고 있습니다. 공기 중 산소를 이용해 충전과 방전을 하는 만큼 사용이 용이하고 경제적이며 친환경적입니다.

 

리튬에어배터리의 현재까지 기술적 난제는 수명의 급격한 저하 문제였습니다. 리튬에어배터리는 산소의 산화와 환원 과정을 이용하는데 이때 과전압이 발생해 수명을 급격하게 줄이는 문제를 안고 있었습니다.

 

이 문제를 해결하기 위해 연구하고 있는 기업은 삼성입니다. 삼성전자와 삼성SDI는 리튬에어배터리 개발에 집중하고 있습니다. 삼성전자와 미국 브룩헤이븐국립연구소 등은 2020년 10월 배터리 내 유기물질을 고체 형태의 세라믹 신소재로 대체해 수명을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발하기도 했습니다.

 

삼성전자 등은 2027년 리튬에어배터리의 상용화를 목표로 개발에 박차를 가하고 있습니다.

 

현재 인류의 문명은 전기를 이용할 수 있게 되면서 빠르게 발전하고 있습니다. 향후에도 인류의 문명은 전기를 기반으로 움직이게 될 것입니다. 배터리의 혁신은 전기차는 물론 우리 삶을 바꾸게 될 것으로 보입니다.