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‘전기차 고성능 이차전지 기술’ 개발 정훈기 KIST 선임연구원
‘전기차 고성능 이차전지 기술’ 개발 정훈기 KIST 선임연구원
  • 이경원 기자
  • 승인 2018.10.31 18:34
  • 댓글 0
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한 번 충전으로 서울-부산 왕복하는 배터리 연구

 

 

KIST 정훈기 선임연구원.<이경원>

[인사이트코리아=이경원 기자] 4차 산업혁명의 대표 산업 중 하나로 꼽히는 전기차는 아직까지 자동차 시장에서 기를 못 펴고 있다. ‘짧은 주행거리’라는 약점 때문이다. 최근 일회 충전 후 400km에 가까운 전기자동차 코나·니로·볼트·테슬라 등이 출시되고 있지만, 해당 거리는 서울에서 부산까지 편도만 갈 수 있는 거리다. 전기차의 주행거리를 결정짓는 것은 바로 전기 에너지를 저장하는 전지의 성능에 달렸다. 하지만 현재 전기차에 적용되고 있는 이차전지의 용량을 늘리는데는 한계가 있다. 물리적으로 배터리 용량을 크게 하면 두 배 많은 에너지를 저장할 수 있겠지만 승용차는 실을 수 있는 공간이 한정돼 있다. 같은 무게, 같은 부피에 얼마만큼의 많은 에너지를 저장할 수 있느냐가 전지의 성능을 좌우한다.

에너지 저장 능력을 개선시키기 위해서는 전지 소재에 주목해야 한다. 전지의 4대 요소인 양극, 음극의 전극 소재와 전해질, 분리막 소재가 무엇이냐에 따라 전지의 용량·출력·수명의 성능뿐만 아니라 발화성·폭발성 등 안전성, 가격 등이 결정되기 때문이다. 이에 따라 각 전지 회사들은 소재 분야에서 핵심 기술을 확보하며 차세대 이차전지 연구에 열을 올리고 있다. 현재 국내에선 삼성, LG, SK, 현대차를 비롯해 외국에선 테슬라 뿐 만 아니라 청소기로 유명세를 타고 있는 기업 다이슨까지 배터리 개발에 열을 올리고 있다.

지난 10월 26일 서울 성북구에 있는 한국과학기술연구원(KIST)에서 만난 에너지융합연구단 정훈기 선임연구원에 따르면, ‘리튬공기전지’와 ‘전고체 전지’는 현재의 리튬이온전지보다 높은 저장용량 및 안전성이 뛰어난 차세대 이차전지 기술로 각광 받고 있다. 정 연구원은 “이들 이차전지가 성공적으로 전기자동차에 적용된다면 일회 충전 주행 거리를 현재보다 2배에서 최고 5배까지 늘릴 수 있어 한번 충전으로 서울-부산 간 왕복도 가능한 전기자동차를 구현할 수 있을 것이고 배터리 폭발 사고 등의 우려도 사라질 것”이라며 ‘전기자동차용 고성능 이차전지 소재 기술’에 대한 기대감을 비췄다. 

-현재 전기자동차 배터리에 가장 널리 이용되고 있는 기술은 무엇인가요?

“현재 전기자동차용 이차전지에 적용하고 있는 기술은 ‘리튬이온전지’ 기술입니다. 전기자동차의 주행거리를 향상시키기 위해서는 이차전지의 용량을 증대시켜야 하며, 이와 밀접한 관련이 있는 양극 및 음극 소재를 보다 용량이 큰 소재로 대체하여 주행거리를 증대 시키고 있습니다. 현재는 대표적으로 양극 니켈, 망간, 코발트가 적용하고 있는 리튬금속산화물의 양극 소재가, 흑연과 실리콘 등이 적용하고 있는 음극 소재가 적용된 리튬이온전지가 전기자동차에 사용되고 있습니다.”

-세계적으로 이차전지 기술에 대한 관심도는 어떤가요?

“국내 기업에서는 삼성, LG, SK를 중심으로 차세대 이차전지에 대한 연구에 박차를 가하고 있습니다. 특히 삼성과 LG의 경우 전지를 적용할 수 있는 휴대폰과 같은 주력 디바이스들이 있으며 전문인력이 대거 포진해 있는 것으로 알고 있습니다. 글로벌 기업 중에는 파나소닉의 전지기술을 사버린 테슬라가 미국의 전지 생산 공장인 ‘기가팩토리’를 거점으로 테슬라 전용 이차전지를 만들고 있습니다. 최근 청소기로 주가를 올리고 있는 다이슨 역시 배터리 연구에 관심을 보이며 전고체전지 회사를 사들인 것으로 알고 있습니다. 무선청소기 사업에서 배터리는 사용시간과 밀접한 관련이 있기 때문에 매우 중요하죠. 많은 회사들이 배터리를 독자기술로 키우는 추세로 보입니다.”

-리튬이온전지는 어떤 특징을 갖나요?

“리튬이온전지는 과거에 적용되던 니켈수소전지, 니켈카드뮴전지와는 달리 같은 부피, 같은 무게 대비 가장 높은 용량을 지니고 있으며, 가장 오래 사용할 수 있는 전지입니다. 이는 현존하는 금속 중 가장 가벼운 리튬이라는 금속을 사용하기 때문에 가능합니다. 그러나 리튬 금속은 일반적으로 물과 급격한 반응을 하며, 공기 중의 산소와도 반응을 하기 때문에 리튬이온전지에는 리튬금속이 들어가지 않고, 리튬금속이 이온형태로 양극·전해질·음극에 존재하여, 반응성을 줄일 수 있다고 볼 수 있습니다. 그로 인해 얇고 가벼우며 오래 쓰는 휴대폰부터 가솔린 엔진을 대체하는 전기자동차까지도 적용할 수 있습니다.”

-현재 리튬이온전지로 전기차를 1회 충전할 경우, 몇 ㎞ 주행이 가능한가요?

“2017년 이전에 개발된 전기자동차는 일회 충전 주행거리가 250km 이하였는데, 양극 소재기술의 고도화 즉 니켈, 코발트, 망간 금속 산화물이 적용된 양극 소재를 적용함에 따라 현재는 일회 충전으로 400km에 가까운 전기자동차 코나·니로·볼트·테슬라 등이 출시되고 있으며, 그 인기도 점차 늘어가고 있습니다.”

-짧은 주행거리는 전기차 확대에 걸림돌이 되어왔습니다. 현재 전기차에 적용되고 있는 리튬이온전지는 어떤 한계점이 있나요?

“리튬이온전지의 전극 소재로 적용되고 있는 리튬금속산화물은 적용되는 금속 물질에 따라 그 용량에 제한이 있습니다. 현재는 니켈이나 코발트, 망간을 주로 적용해 과거에 비해 용량이 증대되었지만 그 한계가 일회 충전 후 방전 용량이 양극 기준 약 200mAh/g으로 한계가 있으며, 음극 소재 부분에서도 주로 적용되고 있는 흑연 소재의 경우 약 330mAh/g으로 용량 한계가 있습니다. 현재는 그 한계에 다다르고 있기 때문에 새로운 양극 및 음극 소재를 적용하는 차세대 고성능 이차전지 전극 소재가 필요한 것입니다. 또한 리튬이온전지에 사용되고 있는 액체 전해질의 경우, 발화 및 폭발 시 액체 전해질은 발화성이 높은 소재로 사용 환경 및 외부 충격에 의해 항상 폭발 위험성을 내재하고 있는 전지라고 볼 수 있습니다.” 

 

리튬공기전지 구동 모식도. <정훈기>

-전기차에 있어 에너지 저장의 핵심이 되는 요소는 무엇인가요?

“전기화학 에너지 저장과 관련, 리튬이온전지에서 가장 핵심 요소는 양극, 음극의 전극 소재와 전해질, 분리막 소재 등이 가장 핵심 요소로써, 4대 핵심 소재라고 합니다. 이들은 리튬이온전지의 용량·출력·수명뿐만 아니라 발화성·폭발성 등 안전성, 가격 등을 결정하는 요소로 각 전지 회사 들은 소재 분야에서 핵심 기술을 확보하고 있습니다.”

-개발하신 ‘전기자동차용 고성능 이차전지 소재 기술’은 무엇인가요?

“저는 리튬공기전지 및 전고체 전지를 위한 전해질과 전극 소재를 개발하고 있습니다. 리튬공기전지는 리튬금속산화물 양극 소재 대신 산소를, 흑연 음극 소재 대신 리튬금속을 적용하는 차세대 이차전지로, 외부에서 산소를 공급함에 따라 흑연보다 용량이 10배 이상 높은 리튬금속을 직접 적용함에 따라 이차전지의 용량을 최대한 향상시킬 수 있는 전지입니다. 이론적으로 리튬이온전지보다 에너지밀도를 5배 이상 증대시킬 수 있어, 같은 부피 같은 무게에 비해 전기차 적용 시 일회충전 주행거리를 5배 이상 증대할 수 있습니다. 전고체 전지는 리튬이온전지와 유사한 양극 및 음극의 전극 소재를 적요하지만 발화성이 높은 액체 전해질과는 달리 발화성이 없는 무기계 고체전해질을 적용하기 때문에 외부충격에 의한 폭발 위험성을 현저히 줄일 수 있습니다. 또한 유기계 액체 전해질보다는 전기화학적인 안정성이 높아 높은 충전 전압 구동이 가능해 에너지 밀도 증대와 안전성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 이차전지입니다. 이들 리튬공기 및 전고체 전지는 전기자동차 회사에서 관심을 많이 가지고 있는 차세대 전지 후보군으로 국내에는 현대자동차, 외국에는 도요타·BMW·폭스바겐 등 주요 자동차 회사에서 전기자동차에 적용을 위한 연구개발을 활발히 진행 중입니다.”

-위 두 기술과 관련, 현재 어떤 연구를 진행 중이신가요?

“이론적으로는 우수하지만 현재 리튬공기전지는 방전반응과 충전반응에 대한 효율이 약 70%로 95%이상인 리튬이온전지에 비해 현저히 낮습니다. 따라서 용량은 우수하지만 수명특성이 좋지 않아 오랫동안 충·방전을 반복 사용하기 위한 연구 개발이 필요합니다. 따라서 효율이 높은 전극소재 또한 효율을 향상시키기 위한 촉매소재를 개발하고 있으며, 충·방전 반응 효율을 높이기 위한 전해질 소재도 함께 개발하고 있습니다. 전고체 전지 또한 액체 전해질에 비해 안전성이 우수하지만, 액체에 비해 낮은 전도도 및 작은 반응 면적으로 인해 출력 특성이 리튬이온전지보다 낮습니다. 따라서 전도도가 우수한 고체 전해질 소재, 출력특성을 높이기 위한 전극과 전해질, 그리고 이의 복합 소재를 연구하고 있습니다.”

-리튬공기전지의 경우, 공기와 리튬이 화학반응을 일으키면, 무게가 늘어나지는 않나요?

“리튬공기전지에는 코발트, 망간, 니켈이 없고 리튬과 산소만 남아있습니다. 산소만 화학 반응을 하기 때문에 무게는 더 가벼워지게 됩니다.”

-리튬공기전지는 용량은 우수하지만, 수명특성이 좋지 않다고 했습니다. 어떤 특성 때문에 충전·방전에 약한 것인가요?

“리튬공기전지는 리튬과 산소가 화학 반응하는 과정에서 리튬이온전지처럼 정반응과 역반응이 100% 일어나지 않습니다. 반응 부산물이 나오면서 반응 효율이 낮아지고 반응 속도가 느려지기 때문에 수명특성이 좋지 않습니다.”

-리튬공기전지의 에너지 효율은 어떤가요?

“현재의 기술 수준에서는 리튬이온전지보다 효율이 좋지는 않습니다. 그러나 처음엔 10회 이상 충·방전이 힘들었던 것이 이제는 100회 이상 충·방전이 가능하며, 60%이하였던 효율도 80%에 가까운 충·방전 효율을 나타내고 있는 등 기술적인 진보를 이루고 있습니다.”

-갤럭시노트7 폭발 사건은 리튬이온전지에 문제가 있었던 것으로 알고 있습니다. 전고체 전지의 안전성은 어느 정도나 입증이 되었나요? 폭발 위험성은 없나요?

“갤럭시노트7 폭발은 리튬이온전지의 액체전해질이 불에 탔던 것입니다. 액체 전해질을 적용하는 경우, 발화성이 높은 유기 소재를 적용하기 때문에 쉽게 불이 붙을 수 있습니다. 일반적인 리튬이온전지가 발화하는 이유도 내부의 액체 전해질의 발화로 인해 폭발하게 됩니다. 그러나 무기계 고체 전해질의 경우, 발화 위험성이 거의 없기 때문에 이차전지가 외부 충격 및 내부단락에 의해서 폭발할 위험성이 없다고 말할 수 있습니다. 따라서 전고체 전지는 폭발 위험성이 없는 안전한 이차전지로 각광받고 있습니다.”

- 전고체 전지가 안전한 것이 장점이라면, 용량 면에선 어떤가요?

“전고체 전지에 들어가는 소재 구성은 리튬이온전지와 같습니다. 소재가 바뀌지 않는 이상 용량이 늘어나지는 않습니다.그러나 향후 충전전압의 증대 등을 통해 많은 양의 전기에너지를 저장할 수 있어 용량 증대를 기대해 볼 수 있습니다.”

-두 기술은 전기자동차 이외에 어느 분야에서 활용될 수 있나요?

“리튬공기전지나 전고체 전지는 현재의 리튬이온전지를 대체할 수 있는 전지로, 성공적으로 상용화가 된다면 휴대폰 등 모바일용 소형 전지보다는 대용량 에너지저장시스템(ESS)나 드론 등 무인이동체, 군사용 전지, 항공 우주용 전지 등에 적용할 수 있을 것으로 예상됩니다.”

<그래픽=이민자 디자이너>

-리튬이온전지는 휴대폰에 쓰이고 있는데, 리튬공기전지나 전고체 전지는 왜 소형보다 대형 디바이스에 적합한 것인가요?

“리튬공기전지는 산소가 외부에서 유입이 돼야 하는데, 산소를 주입하는 탱크 등의 공간이 추가로 필요합니다. 부피 면에서 커질 수 있습니다. 부피가 얇고 가벼워야 하는 휴대폰 보다는 자동차처럼 부피에 대한 제한이 덜한 분야에 적합하다고 보고 있습니다.”

-그렇다면 휴대폰에는 기존의 리튬이온전지가 계속 쓰이는 건가요?

“전고체 전지의 경우 기술이 개발되면 플렉서블하게 만들 수 있어 폴더블(fordable)폰에 적용될 수 있을 것입니다. 내년 출시 예정인 폴더블폰은 배터리가 아닌 디스플레이가 접히는 것으로 알고 있습니다. 따라서 배터리도 함께 접힐 수 있는 플렉서블 기술 개발도 하고 있습니다. 리튬공기전지 또한 에너지 집약도가 개선이 된다면 휴대폰에도 적용될 수 있을 것입니다.”

-두 기술의 개발 단계는 어디쯤 와있나요?

“리튬공기전지나 전고체 전지 기술은 현재 소재 기술 개발 수준으로 상용화를 위해서는 향후 10년 이상의 연구개발이 필요할 것으로 예상됩니다. 그러나 리튬공기전지보다는 전고체 전지가 적용된 전기자동차는 빠르면 5년 이후에 출시될 수도 있을 것으로 예상됩니다. 그 이유는 전고체 전지의 경우 다양한 분야에서 적용사례가 발표되고 있으며, 안전성이 우수해 기술 개발 수준 및 관심이 매우 높기 때문입니다.”

-리튬공기전지보다 전고체 전지 기술이 더 빠르게 개발될 가능성이 높다고 생각하시는 이유는 무엇인가요?

“다양한 분야에 적용사례를 발표하고 있는 안전성이 우수한 전고체 전지에 대한 기술 개발 수준 및 관심이 매우 높기 때문입니다.”

-두 기술을 적용함에 있어 개선되어야 할 점은 어떤 것들이 있나요?

“전기자동차의 가격 중 가장 많은 부분을 이차전지 시스템이 차지하고 있습니다. 아직은 가격경쟁력 측면에서 가솔린 및 디젤 적용 자동차에 비해 현저히 낮아 대중화를 위해서는 아직은 지자체 및 중앙 정부의 보조금이 필수적입니다. 따라서 전기자동차의 가격경쟁력을 높이기 위해서는 보다 값싼 소재를 적용하는 기술이 필요할 것으로 생각합니다.”

-연구원님이 보시기엔 미래 100대 기술로서 앞으로 어떻게 발전할 가능성을 가지고 있다고 생각하시나요?

“유럽은 2030년 이후에는 모두 전기자동차로 대체하려는 계획을 발표하기도 한 만큼 보다 성능이 우수한, 가격경쟁력이 뛰어난 전기자동차 개발은 필수적인 요소라고 볼 수 있습니다. 자동차의 엔진에 해당하는 이차전지는 전기자동차의 핵심 부품으로 이차전지의 성능이 전기자동차의 성능을 결정하는 요소로 반드시 연구개발은 필요합니다. 또한 무선기기들이 보급됨에 따라 전기 에너지저장용량에 대한 수요도 점차 늘어가고 있습니다. 태양광 등의 신재생에너지 보급, 무인이동체 보급 등이 예상되는 미래사회는 보다 성능이 우수한 이차전지가 필수라고 할 수 있습니다. 따라서 새로운 기기의 개발과 함께 고성능 이차전지는 함께 발전할 수 있을 것으로 예상합니다.”

-글로벌 완성차를 비롯한 전 세계가 차세대 이차전지 개발에 사활을 걸고 있습니다. 국가의 미래먹거리가 될 수 있는 중요한 기술로 보이는데, 정부 지원은 어느 정도나 되나요?

“현재의 리튬이온전지는 상용화가 됐고, 이후의 차세대 전지 개발이 시급한 상황인데, 차세대 이차전지 필요성에 대한 인식에 비해 정부의 투자는 활발히 진행되지 못한 것 같습니다. 4차 산업혁명 시대에는 더 많은 디바이스에 이차전지가 필요하게 될 것입니다. 폭발 사고 등 안전사고 발생에 대비하는 차원에서 차세대 전지를 탐색하고자 하는 투자가 많이 필요할 것 같습니다.”

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정훈기 연구원은?

2001~2005 한양대학교 화학공학과 학사
2005~2012 한양대학교 화학공학과 박사

2013~ 한국과학기술연구원 연구원/선임연구원
2013~ 과학기술연합대학원대학교(KIST 스쿨) 교원
2016~ 한국과학기술연구원 Young Fellow

 


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