전자제품, 전기차 등의 산업 발전에 따라 배터리 제조 기술의 혁신도 거듭되고 있습니다. 각국 정부를 비롯해 배터리 기업들은 리튬이온배터리를 대체할 만한 차세대 배터리를 개발하기 위해 끊임없이 노력하고 있는데요. 그렇다면, 차세대 배터리에는 어떤 것이 있을까요?
Q. 차세대 배터리에는 어떤 것이 있나요?
차세대 배터리는 상용화되고 있지 않지만, 미래에 사용하고 싶은 배터리를 의미합니다. 현재 배터리 시장에서는 리튬이온배터리가 대세를 이루고 있는데요. 이를 상당 부분 또는 대부분을 대체할 수 있는 것이 차세대 배터리라 볼 수 있죠.
또 차세대 배터리는 리튬이온배터리보다 에너지 밀도와 출력이 높고, 더 안전하면서 가격 경쟁력도 갖추고 있어야 할 텐데요. 이런 조건을 만족하는 차세대 배터리로 전고체 배터리와 리튬황배터리가 주목받고 있습니다.
Q. 전고체 배터리의 특징은 어떻게 되나요?
리튬이온배터리의 구성 요소 중 리튬이온의 이동을 돕는 ‘전해질’은 액체의 성질을 띠고 있어, ‘전해액’으로도 부릅니다. 그리고 양극과 음극이 직접 만나지 않도록 전해질 사이에 분리막을 두죠.
전고체 배터리는 전해질을 고체로 바꾼 배터리입니다. 고체 전해질 그 자체로 분리막 역할을 하여 구조적으로 단단하고 안정적입니다. 이러한 특징은 양극과 음극의 접촉으로 인한 폭발 위험성을 줄이고, 외부 충격으로 전해질이 훼손되더라도 형태를 유지할 수 있어 안정성을 높일 수 있습니다.
또한 분리막이 필요하지 않아 그 공간에 활물질을 더 채울 수 있습니다. 때문에 전기차 배터리 모듈, 팩 등을 구성할 경우, 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있어서 고용량 전기차 배터리로 제격입니다. 뿐만 아니라 배터리의 쓰임에 따라 다양하게 활용이 가능하기 때문에 전고체 배터리에 대한 연구 개발이 빠르게 진행되고 있는 실정입니다.
Q. 리튬황배터리는 무엇인가요?
리튬황배터리는 양극재에 황을 사용하고, 음극재에는 리튬 금속을 쓰는 배터리입니다. 현재 상용되고 있는 리튬이온배터리의 양극재로는 주로 값비싼 코발트가 사용되는데요. 리튬황배터리는 코발트를 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 ‘황’ 소재로 대체할 수 있습니다. 또 음극재에는 흑연을 쓰는 대신 리튬 금속을 씁니다.
이 소재들은 밀도가 낮고 무게당 용량이 커서 에너지 밀도를 두 배(>500Wh/kg)까지 높이며, 배터리 경량화를 할 수 있습니다. 또 코발트, 니켈 등의 희귀 금속 재료를 사용하지 않아 친환경적입니다. 이처럼 리튬황배터리는 가격 경쟁력을 갖춘 것은 물론 친환경 고용량 배터리를 구현할 수 있어 차세대 배터리로 조명 받고 있는 것이죠.
이러한 특징으로 리튬황배터리는 드론, 항공기 등 미래 운송 수단에 활용 가능한 배터리로 꼽히고 있습니다. 2020년에는 LG에너지솔루션과 한국항공우주연구원이 리튬황배터리를 탑재한 고고도 장기 체공 태양광 무인기를 개발하여, 성층권 최고 고도에서 13시간의 시험 비행에 성공해 세간에 관심이 집중됐습니다. 2025년부터는 리튬황배터리를 상용화할 계획을 가지고 있어 많은 사람들의 기대를 받고 있습니다.
Q. LG에너지솔루션은 차세대 배터리를 확보하기 위해 어떤 노력을 하고 있나요?
LG에너지솔루션은 차세대 배터리 기술 개발 및 신사업을 추진하여 지속 가능한 미래를 만들어 간다는 포부를 밝혔는데요. 전 세계의 유수 대학과 손잡고 차세대 배터리를 연구 중에 있습니다.
해외에서는 미국 샌디에이고 캘리포니아 대학(UCSD) 및 독일 MEET(Münster Electrochemical Energy Technology), 국가연구기관 헬름홀츠 연구소 뮌스터 지부(Helmholtz-Institute Münster)와 FRL(Frontier Research Lab)을 설립했습니다. 미국 ‘UCSD FRL’에서는 상온에서도 빠른 속도로 충전이 가능한 장수명 전고체 배터리 기술을 개발하여 연구 성과를 인정받았습니다. 또 독일 ‘MEET FRL’에서는 차세대 양극재 기술, 실리콘 음극재 기술, 친환경 공정 관련 연구를 진행할 계획입니다.
또한 KAIST, POSTECH(포항공과대학교), 서울대학교 등 국내 명문 대학교와도 차세대 배터리를 연구하고 있습니다. KAIST에서는 전고체 배터리 및 건식 전극 공정, 리튬금속 및 리튬황배터리 관련 기술을 각각 연구 중인데요. 올해 1월 기존 대비 에너지 밀도와 수명 안정성을 확보한 리튬황배터리를 개발하는 성과를 이루었습니다. POSTECH(포항공과대학교)과는 고속 충전 장수명 배터리 소재 개발, 고성능 전극 소재 및 공정 기술 개발 등 총 11개의 산학협력 과제를 발굴하여 개발 중 입니다. 마지막으로 서울대학교와는 황화물계 전고체 배터리, 리튬황배터리용 소재 개발 등 총 9개의 산학협력 과제를 발굴해 연구를 진행할 계획입니다.
지금까지 차세대 배터리로 주목받고 있는 전고체 배터리와 리튬황배터리에 대해 자세히 알아보았습니다. 지속 가능한 미래를 만들어 줄 차세대 배터리는 앞으로 어떤 형태로 우리 앞에 나타날지 많은 관심을 가지고 지켜봐 주세요!