새로운 세대의 배터리가 등장하다

세대(generation)란, 한 생물이 생겨나서 생존을 끝마칠 때까지의 기간을 말합니다. 배터리 역시 여러 세대에 걸쳐 발전을 해왔으며, 현재 우리가 쓰고 있는 리튬이온배터리는 3세대 배터리로 불립니다. 먼저 이전의 1세대, 2세대 배터리에 대해 간략히 알아보겠습니다.

1세대 배터리는 1850년대에 양산된 이후 여러 곳에서 쓰이고 있는 납축 배터리입니다. 지금도 내연기관 자동차의 시동용 배터리로 사용되고 있을 만큼 상당한 생명력을 가지고 있으며, 가격이 저렴하다는 것이 큰 강점으로 꼽힙니다. 2세대 배터리는 니켈계 배터리로, 니켈수소 배터리, 니켈카드뮴 배터리, 니켈아연 배터리 등을 들 수 있습니다. 니켈계 배터리는 납축 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 개발 당시 큰 주목을 받았습니다. 특히 니켈카드뮴 배터리는 1950년대에 전동공구와 소형 가전에 사용되었습니다.

현재 가장 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 3세대 배터리입니다. 1991년 충전이 간편하고 니켈카드뮴 배터리보다 에너지 밀도가 2배 가량 높은 리튬이온 배터리가 처음 등장한 이후, 이는 전자제품부터 전기자동차에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 채용되고 있습니다. 하지만 2차전지의 대표주자로 꼽히는 리튬이온 배터리도 어느새 등장한 지 30년이 흘렀습니다. 보통 인간의 한 세대를 30년으로 가늠하는 것에 비추어 본다면, 자연스럽게 차세대 배터리가 등장하게 되는 것입니다.

차세대 배터리는 리튬이온 배터리의 용량의 한계를 극복하고 안전성 문제를 해결할 수 있는 배터리로 주목받고 있습니다. 그간 2차전지 산업은 기술발전, 시장형성, 기업경쟁, 그리고 제품개발의 순서로 발전했습니다. 차세대 배터리의 경우 현재 기술발전 단계에 있으며, 이후 예정된 4단계의 과정을 통해 발전해나갈 것입니다.

리튬이온 배터리의 한계를 극복하다

아래 표는 기존 리튬이온 배터리와 현재 주목받고 있는 차세대 배터리 3종을 비교한 것입니다.

[리튬이온 배터리와 차세대 배터리의 비교]

먼저 전고체 배터리는 차세대 배터리 가운데 상용화에 가장 근접한 것으로 평가됩니다. 이에 현재 다양한 업체들은 전고체 배터리의 연구개발에 투자하고 있습니다. 그렇다면 전고체 배터리는 어떤 변화를 가져올까요? 가장 기대하는 것은 역시 안전성입니다. 리튬이온 배터리는 전해질로 액체인 유기용매를 사용합니다. 이에 따라 온도 변화로 인한 배터리의 팽창이나 외부 충격에 의한 누액 등이 발생하면 배터리 내부의 인화성 액체 전해질로 인해 발화가 발생할 가능성이 있습니다. 하지만 전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하기 때문에 이러한 위험성이 매우 낮습니다. 또한 열과 압력 등 극한의 외부 조건에서도 정상적으로 작동할 수 있어 배터리 모듈이나 팩 등에서 별도의 냉각장치나 배터리 관리 시스템(BMS) 기능 등을 대폭 줄일 수 있습니다. 이는 전기자동차에 탑재되는 배터리의 에너지 밀도의 증대로 연결됩니다. 

전고체 배터리는 고체 전해질을 사용하고, 이는 다시 전해질의 성분에 따라 고분자계, 산화물계, 황화물계 등으로 구분됩니다. 고분자계는 생산은 쉽지만 이온전도도가 낮고 저온 환경에서 성능이 저하되는 단점이 있습니다. 산화물계는 안정성이 우수하고 비교적 높은 이온전도도를 보이지만 고온 열처리 공정이 필요해 배터리의 대면적화와 대량생산이 쉽지 않은 문제점이 있습니다. 황화물계는 이온전도도와 계면 저항 특성이 고르다는 장점이 있지만 수분에 취약해 습기에 노출되면 가스가 발생합니다. 그럼에도 현재까지 가장 우수한 소재로 알려져, 많은 기업이 황화물계 방식의 배터리 연구에 매달리고 있습니다.

[전해질의 종류에 따른 장점과 단점]

하지만 전고체 배터리의 경우, 그 자체만으로는 우리가 생각하는 차세대 배터리라고 간주하기 어려울 수도 있습니다. 단순히 전해질을 액체에서 고체로 바꾸는 정도로는, 에너지 밀도의 측면에서 리튬이온 배터리의 용량의 한계를 뛰어넘는 비약적인 효과를 기대하기 어렵기 때문입니다. 그래서 차세대 전고체 배터리의 주요 개발 내용 역시 고체 전해질과 함께 양극과 음극의 활물질을 바꾸는 것입니다. 대표적으로 리튬메탈 배터리, 리튬황 배터리를 들 수 있습니다. 이들 배터리는 고체 전해질을 사용하여 안전성을 확보함과 동시에 양극과 음극의 활물질을 바꿔 용량을 증대한다는 목표로 개발되고 있습니다.

배터리의 에너지 밀도를 높이는 방법은 보통 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 에너지 밀도에 도움이 되지 않는 소재의 양을 줄이면서 에너지 밀도와 관련된 고용량 활물질을 더 많이 넣는 방법입니다. 에너지 밀도에 도움이 되지 않는 물질을 불활성 물질이라고 하며, 여기에는 양극과 음극의 기재로 사용되는 알루미늄박, 구리박, 분리막이 있습니다. 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리는 분리막이 필요하지 않기 때문에 이를 통해 에너지 밀도를 증대할 수 있습니다. 하지만, 그렇게 증대되는 에너지 밀도의 정도가 획기적이라고 보기는 어렵습니다.

두 번째는 양극과 음극의 활물질을 바꾸는 것입니다. 지금까지 배터리의 성능 개선은 주로 양극의 변화를 토대로 이루어져 왔습니다. 하지만 차세대 배터리는 음극의 교체가 큰 변화를 가져올 것으로 보입니다. 음극을 교체해 에너지 밀도의 향상을 기대하는 것입니다. 구체적으로 리튬메탈 배터리는 음극에 리튬메탈을 적용합니다. 리튬황 배터리는 양극에 황을, 음극에 리튬메탈을 적용합니다. 

[리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 차이]

현재, 전고체 배터리를 기반으로 리튬메탈 배터리와 리튬황 배터리의 연구개발이 활발히 진행되고 있습니다.

리튬메탈 배터리는 음극에 흑연과 실리콘 대신 리튬메탈을 적용해 에너지 밀도를 향상하는 구조입니다. 전문가들은 리튬이온 배터리보다 2배가량 높은 1리터당 1,000Wh의 에너지 밀도를 예상하고 있습니다. 하지만 아직 상용화까지 넘어야 할 기술적 허들이 많이 남아 있습니다. 특히 리튬메탈은 상온에서 매우 불안정하고 물과의 반응성이 높습니다. 또한 음극 표면에 쌓인 리튬이 양극과 맞닿는, 일명 덴드라이트(den¬drite) 현상으로 인해 화재가 발생할 위험이 있기 때문에 음극을 특수 코팅하는 등 안전성 확보를 위한 기술이 필요합니다.

리튬황 배터리는 양극에 황을 적용하고 음극에 리튬메탈을 적용한 배터리로, 리튬이온을 음극에 넣는 방식에 있어 큰 차이가 있습니다. 리튬황 배터리에서는 양극의 황이 음극의 리튬과 결합하여 황화리튬(Li2Sn)이 만들어집니다. 이러한 변환 반응을 통해 이론적으로 리튬이온 배터리보다 에너지 용량이 5배 이상 늘어날 것으로 예상됩니다. 특히 황은 풍부하게 존재하는 소재이기 때문에 가격 경쟁력 측면에서도 장점이 있습니다. 하지만 현재 리튬황 배터리의 작동 전압은 2볼트로 리튬이온 배터리보다 낮고, 수명도 리튬이온 배터리의 1/20에서 1/50 정도의 수준으로 평가되고 있습니다. 덴드라이트 현상 역시 우려 요소 중 하나입니다. 이를 해결하기 위해, 업계에서는 특수 물질을 추가하거나 보호필름을 생성하는 연구가 진행 중입니다.

[리튬황 배터리와 리튬이온 배터리의 비교]

전고체 배터리, 멀지 않았다

인터넷에서 가위로 배터리를 자르는 영상을 보신 적이 있나요? 해당 영상을 보면, 꼬마전구와 연결된 전고체 배터리를 가위로 잘라도 스파크가 튀거나 불이 나지 않습니다. 꼬마전구는 여전히 불이 들어와 있습니다. 전고체 배터리가 우리 일상에 널리 적용되었을 때의 모습이 더욱 기대되는 부분입니다. 

삼성SDI는 삼성전자 종합기술원, 삼성 일본연구소와 협력하여 전고체 배터리 기술을 공동으로 개발하고 있습니다. 실제로 삼성SDI는 수년 전부터 모터쇼나 배터리 관련 전시회에서 전고체 배터리 기술을 선보여 왔습니다. 

2022년 3월, 수원 SDI연구소에서는 국내 최초로 전고체 배터리 파일럿 라인인 ‘S라인’을 착공해 큰 주목을 받았습니다. 6,500제곱미터 규모로 구축된 S라인은 전고체 배터리 전용 극판부터 고체 전해질 공정설비, 배터리 내부 이온이 원활하게 전달 되도록 하는 배터리 셀 조립 설비 등 신규 공법과 인프라가 적용되었습니다. 이를 통해 S라인은 에너지 밀도를 1L당 800~900Wh로 끌어올릴 수 있을 것으로 기대됩니다. 삼성SDI는 전기자동차 실제 장착 테스트를 거쳐 2027년 상용화를 목표로 하고 있습니다. 

[네이처 에너지에 소개된 삼성의 전고체 배터리 기술]