차세대 배터리

차세대 배터리는 리튬이온 배터리의 단점을 보완하는 배터리를 말한다. 차세대의 배터리로는 전고체 배터리, 리튬 메탈 배터리, 리튬공기전지, 리튬 황 배터리, 나트륨이온 배터리 등이 있다.

리튬이온 배터리가 현재 시장에서 존재하는 다양한 2차전지 중 전지 성능이 가장 우수하다는 것은 다 아는 사실이다. 그러나 전기자동차용 전원으로써 리튬이온 배터리는 배터리 성능, 가격, 그리고 안전성 및 신뢰성 측면에서 해결해야 할 기술적 이슈가 산적해 있다. 배터리 성능 측면에서는 1회 충전에서 가능한 주행 거리와 충전 시간은 기존 내연 기관 자동차에서 소비자가 기대하는 수준에 미치지 못하고 있다. 리튬이온 배터리의 가격과 안전성·신뢰성 역시 전기차 시장 확대 및 차세대 전기차의 요구 성능을 맞추기 위해서는 기술적 혁신이 필요하다.

2021년 7월 5일, 현대자동차는 차세대 배터리-리튬 메탈 배터리 개발사인 미국 솔리드에너지시스템(SES)에 1억달러(약 1140억원)를 투자하기로 지분 투자 계약을 맺었다. 2012년 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구소 스타트업에서 시작한 SES는 현재 리튬이온 배터리의 단점을 보완하는 차세대 배터리인 리튬메탈 배터리 시제품 개발에 성공했다.

종류

• 리튬 황 배터리 : 양극재(황탄소 복합체), 음극재(리튬메탈), 고체전해질을 이용하는 2차전지이다. 리튬이온 배터리 대비 4배 이상의 에너지밀도 구현이 가능하다. 원유 정제의 부산물인 황 폐기물을 활용할 수 있어 친환경적이고 제조 원가가 낮다. 국내에서 LG화학이 리튬 황 배터리 개발을 진행 중에 있으며 2025년 이후 양산할 계획이다. 리튬황 배터리의 상용화는 느린 편이다. 리튬과 황 반응 생성물인 황화리튬이 리튬황 배터리의 상용화를 막는 주요 걸림돌이다. 또 황 자체가 비금속이기 때문에 전극 재료임에도 전기전도도가 낮다는 한계가 있다. 탄소 등의 물질을 첨가해 전기전도도를 보완할 수 있지만 전기 발생 반응에 직접 참여하지 않는 불순물이 섞이다 보니 에너지 밀도가 낮아진다. 이 때문에 실제 구현된 리튬황 배터리의 에너지 밀도는 이론값보다 훨씬 낮은 1kg당 수백 와트시 수준에 불과하다. 2020년 6월 25일 김희탁 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀은 리튬황 배터리에 들어가는 전해액의 양을 4분의 1로 낮추는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 '리튬 나이레이트 염'이라는 물질을 전해액에 첨가하면 이 물질이 전해액의 용해도를 4배 이상 높인다는 것을 발견했다. 전해액의 양을 4분의 1로 줄여도 기존의 성능을 유지할 수 있게 됐다.
• 리튬공기전지 : 양극재로 공기(산소), 음극재(리튬메탈), 고체전해질을 이용하는 2차전지이다. 이론적으로는 리튬이온 배터리의 10배에 해당하는 에너지밀도 구현이 가능하다. 전지 무게가 가볍고 친화경적이고 싸고 안전성도 높다. 2020년 10월 15일 울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자종합기술원, 미국 브룩헤이븐국립연구소 공동 연구팀은 차세대 2차전지인 리튬공기 전지 상용화의 난제로 지적돼온 수명 저하 문제를 해결했다고 발표했다. 리튬공기전지는 한 번 충전으로 서울~부산 거리의 2.5배인 1000㎞를 달릴 수 있는 기술이다. 차세대 전지 로드맵 중에서 상용화 계획이 가장 늦은 만큼, 기술적 한계와 해결해야 할 과제가 많다. 대표적으로 불용성 반응물(Li₂O₂)의 처리, 낮은 수명 특성, 리튬메탈 사용으로 인한 안전성 저하, 공기극의 높은 분극 저항 등의 문제다.
• 소듐이온 전지 : 리튬이온 대신 소듐(Sodium) 이온을 이온 캐리어로 사용하는 전지이다. 나트륨이온 배터리라고도 한다. 가격 및 공급 안정성에 취약한 리튬을 대체하여 저가로 전지 제작이가능하나 리튬이온 배터리에 비해 에너지밀도가 낮다. 소듐이온전지는 상용화 시작단계로 에너지밀도 요구사항이 낮은 분야를 중심으로 리튬이온 배터리를 대체하며 시장이 확대될 전망이다. 소듐 기반 전지로는 소듐이온 전지, 소듐 황 전지, 소듐 염 전지, 소듐 공기 전지 등이 있다. 중국 최대 배터리 업체인 CATL이 2021년 7월 나트륨이온 배터리를 출시한다. 나트륨이온 배터리는 양극재, 격막, 액체전해질, 음극재로 구성되며, 충전 시에는 양극에서 나트륨 이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 음극에서 양극으로 나트륨 이온이 이동하는 역 반응이 진행된다. 나트륨이온 배터리의 평균전압은 약 3.0V를 나타낸다.
• 나트륨 전지 : 양극재(금속화합물), 음극재로 나트륨(마그네슘), 고체전해질을 사용하는 2차전지이다. 리튬이온 배터리 대비 3배에 해당하는 에너지밀도 구현이 가능하다.
• 전고체 배터리 : 액체 전해질을 고체로 대체하며 전지 구성요소 전체를 고체화한 전지이다. 기존 리튬이온 배터리의 발화·폭발 위험성을 현저히 낮춰 안전성의 비약적 향상이 가능하다.
• 플렉서블 배터리 : 플렉서블 배터리는 유연하고 구부릴 수 있는 전지를 총칭하는 기술 분야이다. (예: 플렉서블 리튬황전지, 플렉서블 전고체전지 등) 플렉서블전지 응용 분야로는 웨어러블기기, 의료, 가전, 스마트카드 등이 있다.
• 프린터블 배터리 : 프린터블전지는 인쇄공정을 통해 제작하는 전지를 총칭하는 기술 분야이다. 타 기술 분야와 접목하여 공정을 프린팅화하기 위한 기술에 해당. (2D, 3D 프린팅) (예: 프린터블 리튬이온전지, 프린터블 전고체전지 등)
• 레독스 흐름 전지 : 리튬이온 배터리에 비해 수명이 길고(10배 이상) 저가(3분의 1수준)로 제작 가능하나, 부피가 커 소형화가 어려우며 에너지 효율은 리튬이온 배터리 대비 70% 수준이다. 세계 각국이 경쟁적으로 상업화 계획을 발표하고 있으며 신재생에너지 수요 증가에 따라 ESS 분야를 중심으로 수요가 급증할 것으로 예상된다.
• 아연공기전지 : 양극재로 공기(산소), 음극재(아연)을 이용하는 2차전지이다. 수성 전해액을 사용하기에 폭발이 없어 안전하며 저가 금속인 아연을 원재료로 하여 저가로 제조가 가능하다. 국내 아연공기전지 시장은 특정 업체가 주도하고 있으며, 현재 특수목적(전력공급이 열악한 환경, 비상용, 군용 등)으로 상용화되어 있으나향후 레저 산업 등으로 확대될 전망이다.

참고자료

• 김한수 한양대학교 , 〈(오토저널) 차세대 배터리 : 차세대 xEV 배터리 기술〉, 《다나와 자동차》, 2020-11-02
• 비의신, 〈3. 차세대 이차전지 - 종류와 특징〉, 《네이버 블로그》, 2017-12-09

같이 보기

• 전고체 배터리
• 리튬 메탈 배터리
• 리튬 황 배터리

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