리튬 이온 배터리의 자리를 넘볼 수 있을까?

리튬 이온 배터리의 자리를 넘볼 수 있을까?

대학생신재생에너지기자단 22기 이지원

 

산업에서 2차 전지의 필요성

전 세계 기업들은 지구온난화 문제 해결 및 화석연료의 절감 차원을 위해 온실효과 가스 배출량을 저감하는 방안 중 하나인 2차 전지에 주목하고 있다. 2차 전지는 전기자동차 성능을 크게 좌지우지하며 현재 AI, IoT, 웨어러블 기기 등 우리가 평상시에 사용하고 있는 정보통신기기에 사용된다.

한 번 사용하고 나면 재사용이 불가능한 1차 전지와 달리, 2차 전지는 방전이 되면 충전을 통해 반영구적으로 재사용할 수 있다. 전 세계 국가들이 환경오염을 줄이기 위해 내연기관차 퇴출과 동시에 전기차 보급 확대를 본격화하면서 전기차 구매 유도를 위한 보조금도 늘어나는 추세다. IEA(nternational Energy Agency, 국제에너지기구)에 따르면 2020년 전기차 판매를 지원하기 위해 각국 정부가 전년 동기 대비 25% 증가한 140억 달러를 지출했다고 한다.

[자료 1. 전기차 배터리 시장 미래]

출처: POSCO NewsROOM

리튬이온 배터리의 원리 및 상용화 한계

2차 전지는 지난 120여 년 동안 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지 등 다양한 형태로 일상생활에서 유용하게 쓰이고 있었다. 여러 종류의 2차 전지 중 리튬이온 전지는 높은 에너지 밀도와 우수한 출력 등의 성능으로 인해 현재 대부분의 모바일 기기의 주요 전원으로 사용되고 있어 전기자동차 및 대용량 에너지 저장 장치용 그리고 중대형 전지 시장에서 연평균 10% 이상의 성장을 보이고 있다.  또한 메모리 효과가 없어 수명이 길다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 메모리 효과란 충전지를 완전 방전되기 전에 재충전하면 전기량이 남아 있음에도 충전기가 완전 방전되는 현상을 말한다.

그렇다면 어떻게 방전된 배터리가 다시 충전되어 사용할 수 있는 것일까?

배터리 내 산화ᐧ환원 과정으로 발생한 전자가 도선을 따라 음극과 양극을 오가면서 전기를 발생시키는데, 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 음극에서 환원이 일어나 에너지를 저장하면서 충전이 된다. 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 양극에서 환원이 일어나 에너지가 방출되면서 방전이 되는 것이다.

이때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온의 이동통로 역할을 해주는 전해질과 양극과 음극이 서로 닿지 않게 해주는 분리막이 필요하다. 전해질은 배터리 내부의 양극과 음극 사이에서 리튬 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체로, 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 이온 전도도가 높은 물질이어야 하며, 안전을 위해 전기화학적 안정성, 발화점이 높아야 한다.

[자료 2. 리튬 이온배터리의 원리]

출처: Battery Inside

[대체 배터리의 종류 및 원리 및 특징]

리튬이온 배터리 최적화에 힘입어 리튬 이온 삽입 (Intercalation) 방식은 많은 상업적 성공을 이루어 소용량의 휴대용 전자장치 및 중대형의 친환경 차량까지 상용화가 되어있는 실정이다. 하지만 이러한 최척화 작업에도 불구하고 리튬이온 배터리는 전해질에 휘발성이 높은 액체가 사용되어 열이 나면 충격에 취약하고, 리튬은 일부 지역에서만 나는 금속이어서 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 또한 중대형 차량용 2차 전지의 에너지 밀도는 고객이 원하는 만큼의 주행거리를 확보할 수 있는 에너지 밀도를 가지고 있지 않다. 이러한 한계를 뛰어넘기 위해 세계 각국에서 에너지밀도가 더 높고 안전한 2차 전지의 개발에 뛰어들고 있다.

그중 에너지 고밀도로 고용량 구현이 가능한 리튬 황전지와 리튬공기전지 그리고 전해질이 고체여서 부피가 작고 외부 충격에 강한 전고체 배터리가 크게 주목받고 있다.

[자료 3. 리튬 황전지와 리튬공기전지의 에너지 밀도]

출처: 한국과학기술연구정보원

리튬 황전지는 지구상에서 존재하는 원소 중 17번째로 풍부한 원소로, 리튬에 비해 저렴한 가격과 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 하지만 전력을 생산하는 도중 방전으로 인해 생겨나는 황화 리튬(Li₂S)이 전극의 표면에 쌓여 전극에서 전자의 이동을 차단해 이론적인 성능이 구현되지 않는 문제가 있다. 이를 완화하기 위해 전기 전도성을 높이는 물질 전해질로 기존 리튬 황전지에 쓰이던 리튬비스마이드(LiTFSI) 대신 리튬 염(LiTf, LiBr)을 사용했다. 이 염들은 전지 내부에서 황화 리튬의 용해도를 높여서 전극 표면에 황화 리튬이 달라붙는 대신 입체 구조로 전극에 수직하게 자라게 했다. 전극을 가리는 부분을 줄여 높은 용량을 구현하게 한 것이다.

리튬공기전지는 공기 중의 산소와 리튬이온의 반응을 이용하여 에너지를 저장하는 원리를 이용하기 때문에 공기 중에 산소를 무한대로 공급할 수 있다는 큰 장점이 있다. 이 외에도 전자를 잘 내놓는 1족 원소(알칼리금속 원소)를 사용해 양이온이 잘 되게 하여 전기에너지 변환 능력이 빠르고 높은 전압의 배터리를 만들 수 있는 리튬과 같은 1족 원소에 속하는 물질들이 차세대 배터리로 거론된다. 리튬이온배터리로 노벨 화학상을 수상한 존 구디너프 교수와 시더 교수는 위 1족 원소의 성질을 이용한 칼륨 이온배터리를 연구하고 있다. 칼륨은 싸고 풍부하며 리튬 못지않은 전기를 생산할 수 있다.

전고체 배터리는 2차 전지에 들어있는 액체 전해질과 분리막을 없애고 고체 전해질로 대체한 배터리다. 발화물질이 들어있는 전해질이 없어 폭발이나 화재의 위험성도 낮고, 무엇보다 주 구성물이 실리콘(Si)과 인(P)으로 구성되어 있어 다른 고가의 금속을 포함한 산화물 고체 전해질에 비해 가격적으로 장점을 가지고 있고 가벼워 고에너지 밀도를 구현할 수 있다는 것이 큰 장점으로 꼽힌다.

[자료 4. 리튬 이온 배터리와 전고체 배터리 비교]

출처: POSCO NewsRoom

[환경 측면에서 대체 배터리의 영향 및 평가]

전기차에 꼭 필요한 리튬이온 배터리는 리튬과 코발트 등의 희토류 소재로 만들어진다. 이러한 광물의 채굴 과정은 친환경과 거리가 멀다. 코발트는 채굴 과정에서 유해 부산물이 발생하고, 제련 단계에선 황산화물과 같은 대기오염 물질이 나온다. 국립환경과학원은 '유독물질의 지정고시'에서 친환경차 폐배터리를 산화코발트·리튬·망간·니켈 등을 1% 이상 함유한 유독물질로 분류했다. 또한 친환경차 배터리가 외부에 노출이 될 시 화재와 폭발, 급성독성 및 수생 환경에 유해한 물질을 뿜어낸다는 지적이 있어 이를 해결하기 위한 다양한 노력이 필요한 시점이다.

이에 2020년 12월에 유럽 집행위원회에서는 2025년까지 산업용 및 전기차용 배터리의 탄소 배출량 공개를 의무화했으며, 2030년까지는 배터리 제조과정에서의 탄소 배출량 규정을 도입하기로 하였다. 우리나라 배터리의 경우에는 배터리의 주요 원재료를 100% 수입에 의존하고 있는 특성상, 폐배터리로부터 니켈, 코발트 등의 핵심 원재료를 재활용할 필요성은 갈수록 강조되고 있다. 이에 리튬 등의 재활용률 및 공정 자동화율 제고를 통해 폐자원의 재활용 경쟁력을 확보하고, 동시에 저탄소 재제조 기술 등 친환경 공정 개발을 지속 추진할 계획이다.

[2차 전지 시장 전망 및 지속 가능한 성장을 위한 산업의 변화]

2차 전지는 전기자동차 시장의 성장과 더불어 중대형 에너지 저장용 이차전지 시장의 성장으로 향후 그 규모가 크게 확대되어, 2025년에는 2차 전지가 메모리반도체보다 더 큰 시장으로 성장할 것으로 전망되고 있다. 특히, 기후변화 대응을 위한 자동차 규제가 본격화되면서 전기자동차 시장이 급성장하고 있는데, 지난해에는 COVID-19 영향에 따른 세계 자동차 판매 부진에도 불구하고 전기차 시장은 전년 대비 40%가 넘는 성장세를 기록하였다. IEA(국제에너지기구)도 매년 발간 중인 Global EV Outlook을 통해 2025년 전 세계 전기차 판매량이 최소 1,012만 대에서 최대 1,963만 대에 달할 것으로 전망하고 있다.

2차 전지 시장을 주도하고 있는 전기차용 배터리 시장은 2021년 297GWh 수준에서 2025년에는 1,400GWh까지 크게 성장할 것으로 전망되고 있다. 이에 대응해 세계 주요 2차 전지 업계는 2025년까지 2020년 생산 Capa. 대비 3배 이상의 대규모 증설을 추진하고 있다. 

[자료 5. 이차전기 수요-공급 전망]

출처: POSCO NewsRoom

또한 전동 킥보드나 전기자전거 등 이동 수단들이 점차 전동화되고 드론, 배달용 로봇 등 2차 전지가 사용되는 다양한 애플리케이션이 개발되면서 새로운 신산업과 일자리 창출에 기여하고 있다. 이처럼 이차전지 산업은 생산뿐만 아니라 새로운 비즈니스 모델들이 생겨나도록 하는 역할도 수행하고 있다.

2차 전지 산업은 사회, 경제적으로 중요성이 더욱 증대되고 있지만 우리나라는 2차 전지 제조에 필요한 소재 및 부품에서 해외 의존도가 높아 2차 차전지 산업의 글로벌 경쟁에서 밀리고 있다. 미국과 유럽을 뛰어넘는  K-배터리로 육성하기 위해서는 우리의 강점인 제조 능력을 더 강화하고 상대적으로 취약한 소재, 부품의 경쟁력과 이를 지원하기 위한 각종 세제지원·규제 완화·인력양성 등 지원을 강화해야 한다.

2차 전지의 주요 소재인 양극재, 음극재, 분리막, 전해액 모두 50% 이상의 해외 의존도를 보일 뿐만 아니라 2차 전지 소재의 원재료인 리튬, 코발트, 니켈 등도 사실상 전량 수입에 의존하고 있다. 이차전지 산업의 지속적인 성장을 위해서는 원료의 안정적 조달 및 소재 생산능력 강화가 필수적이다. 이를 위해 우리나라는 2021년 7월 관계부처 합동으로 공표된 ‘2030 이차전지 산업(K-battery) 발전전략’을 통해 소재산업 육성과 전략적 원료 수급체계 구축을 추진해 이차전지 사업의 경쟁력을 확보해 나갈 예정이다. 

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배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "스마트한 폐배터리 재활", 22기 박주은, https://renewableenergyfollowers.org/3899

스마트한 폐배터리 재활용

2. "차세대 배터리, '전고체 배터리'를 소개합니다.", 21기 이현서, 22기 정의희,  https://renewableenergyfollowers.org/3906

차세대 배터리, '전고체 배터리'를 소개합니다.

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참고문헌

[산업에서 2차 전지의 필요성]

1) POSCO NEWSROOM, “[궁금한 THE 이야기] ① 2차전지의 필수품 ‘리튬', 왜 중요할까?", 2022.08.24., https://newsroom.posco.com/kr/2%EC%B0%A8%EC%A0%84%EC%A7%80%EC%9D%98-%ED%95%84%EC%88%98%ED%92%88-%EB%A6%AC%ED%8A%AC-%EC%99%9C-%EC%A4%91%EC%9A%94%ED%95%A0%EA%B9%8C/

[리튬이온 배터리의 원리 및 상용화 한계]

1) POSCO NEWSROOM, “[궁금한 THE 이야기] ① 2차전지의 필수품 ‘리튬’, 왜 중요할까?”, 2022.08.24., https://newsroom.posco.com/kr/2%EC%B0%A8%EC%A0%84%EC%A7%80%EC%9D%98-%ED%95%84%EC%88%98%ED%92%88-%EB%A6%AC%ED%8A%AC-%EC%99%9C-%EC%A4%91%EC%9A%94%ED%95%A0%EA%B9%8C/

2) BATTERY INSIDE, “리튬이온배터리의 구조와 작동 원리”, 2021.11.11., https://inside.lgensol.com/2021/11/%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%99%80-%EC%9E%91%EB%8F%99-%EC%9B%90%EB%A6%AC/

[대체 배터리의 종류 및 원리 및 특징]

1) 조승한, “차세대 2차전지 이론 용량 92%까지 따라잡았다”, 동아사이언스, 2019.1.30.,

https://www.dongascience.com/news.php?idx=26585

 2) 정훈기, 무제, 한국과학기술연구원 

 

[환경측면에서 대체 배터리의 영향 및 평가]

1) 조승한, “리튬이온배터리 대체할 나트륨-반고체 배터리가 온다”, 동아사이언스, 2021.12.06., https://www.dongascience.com/news.php?idx=50851

2) 김보민, “친환경 전기차의 딜레마..."배터리 생산·폐기 과정서 환경오염 유발"”, NewsQuest, 2021.03.04., https://www.newsquest.co.kr/news/articleView.html?idxno=822233) 

3) POSTECH, “신소재 강병우 교수팀, “꿈의 전지” 산화물 전고체전지, ‘리시콘(LiSICON)’구조로 해법 찾는다”, 2022.11.23., https://www.postech.ac.kr/%EC%8B%A0%EC%86%8C%EC%9E%AC-%EA%B0%95%EB%B3%91%EC%9A%B0-%EA%B5%90%EC%88%98%ED%8C%80-%EA%BF%88%EC%9D%98-%EC%A0%84%EC%A7%80-%EC%82%B0%ED%99%94%EB%AC%BC-%EC%A0%84%EA%B3%A0%EC%B2%B4/

4) 권영일, 박종규, 최현규, “2014 KISTI 미래유망기술 10선 리튬황 전지”, 2014.12

[2차전지 시장 전망 및 지속 가능한 성장을 위한 산업의 변화]

1) 김유정, “이차전지 소재산업의 지속가능한 공급망 구축의 필요성”, Posco NewsRoom, 2022.06.22., https://newsroom.posco.com/kr/%EC%9D%B4%EC%B0%A8%EC%A0%84%EC%A7%80-%EC%86%8C%EC%9E%AC%EC%82%B0%EC%97%85%EC%9D%98-%EC%A7%80%EC%86%8D%EA%B0%80%EB%8A%A5%ED%95%9C-%EA%B3%B5%EA%B8%89%EB%A7%9D-%EA%B5%AC%EC%B6%95%EC%9D%98-%ED%95%84/

2) 한국산업기술진흥협회, “성장잠재력이 매우 큰 이차전지의 시장 전망”, 기술혁신 11/12월호 키워드