[취재] 이차전지, 그것이 알고싶다!

[취재] 이차전지, 그것이 알고싶다!

대학생신재생에너지기자단 22기 류나연, 23기 김용대

 

“기사 작성에 도움을 주신 대학생신재생에너지기자단 8기 김재범님께 감사의 말씀을 전합니다.”

 
이차전지란?

 최근 몇 년간 주식 시장에서 반도체에 이어 이차전지 산업이 큰 주목을 받고 있다. 전기차 수요의 증가와 시장의 확대에 따라 확실한 실적을 기록하며 이차전지 산업은 강세를 보이고 있다. 그렇다면 이차전지란 무엇일까? 
 고려대 김재범 대학원생(이하 박사과정생)과 인터뷰를 진행한 목적은 다음과 같다. 1. 이차전지에 대해 잘 알지 못하는 독자들에게 이차전지에 대해 간단히 설명한다. 2. 현재 상용화되어 있는 리튬이온배터리가 무엇인지 알아본다. 3. 리튬이온배터리의 단점을 극복하기 위한 차세대 배터리 중 나트륨이온배터리를 소개한다.
 먼저 이차전지에 대해 알아보기 이전에 일차전지의 개념에 대해 알아볼 필요가 있다. 일차전지는 일반적으로 사용하는 건전지처럼 한 번 쓰고 나면 다시 충전해서 쓸 수 없는 전지를 의미한다. 이와 다르게 이차전지는 다시 충전해서 사용할 수 있는 전지를 통칭하는 말이다. 여러 번 충전할 수 있다는 장점과 더불어 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다.

[자료 1. 이차전지 구성요소]

출처 : 삼성SDI

 김재범 박사과정생은 “배터리는 양극과 음극과 분리막, 전해질의 4가지 요소로 구성된다. 리튬 이온이 전해질을 통해서 농도 차이에 의해 확산이 되는데, 이때 전자는 외부 회로를 통해서 이동하게 된다. 이러한 작용은 산화환원 매커니즘에 기반해서 작동하는 것이다.”라고 말했다. 앞서 언급되었던 배터리의 4가지 요소에 대해 설명하면 다음과 같다.

• 양극재

양극재는 배터리의 (+)극, 즉 양극을 이루는 소재를 말하며 흔히 알고 있는 리튬이온배터리에서 리튬 이온이 발생하는 소스 역할의 에너지원으로 ‘용량’과 ‘평균 전압’을 결정한다. 최근 리튬이온배터리와 관련해 자주 언급되는 NCM 811(니켈-코발트-망간)/NCMA(니켈-코발트-망간-알루미늄)/LFP (리튬-철-인산)와 같은 영어 단어는 배터리의 성능을 결정짓는 양극 소재를 의미한다. 에너지밀도를 결정하는 니켈(Ni), 안정성을 높이는 코발트(Co)와 망간(Mn), 출력 특성을 향상하는 알루미늄(Al) 등의 원료 중 어느 원료를 어떤 비율로 조합하느냐에 따라 성능과 특성이 달라진다.

• 음극재

음극재는 이온을 저장했다가 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 하며 이차전지의 충전 속도와 수명을 결정한다. 리튬이온배터리 시스템 내 음극 소재는 대부분 구조적 안정성, 낮은 전자 화학 반응성 등을 갖춘 흑연이 사용된다. 

• 전해액

전해액은 이온이 원활하게 이동하도록 돕는 매개체로, 염(전해질), 용매, 첨가제로 구성되어 있다. 염은 리튬 이온의 이동 통로로 작용하며, 유기용매에 쉽게 용해되는 물질로 이루어져 있다. 용매는 이러한 염을 용해시키는 액체로 Ethylene Carbonate(EC), Propylene Carbonate(PC) 등이 주로 사용된다. 첨가제는 전지의 전체적인 성능 향상을 일으키는 물질로, 양극과 음극 중 어느 것에 초점을 맞추냐에 따라 종류가 결정된다.

• 분리막

양극과 음극 사이에 위치하는 분리막은 PE, PP 소재로 만들며, 제조 방식에 따라 습식과 건식으로 나뉜다. 분리막은 ① 이차전지 내 두 전극을 격리시켜 물리적 접촉에 의한 전기적 단락을 차단하고 ② 미세기공 내에 담지된 전해액을 통해 이온이 두 전극 사이로 이동할 수 있는 통로를 제공한다. 
 

리튬이온배터리

 앞서 말한 이차전지는 양극재에 따라 다양한 종류로 나뉘지만, 현재 이차전지 시장에서는 리튬이온배터리가 주류를 이루고 있다. 리튬이온배터리는 리튬(Li) 이온이 전해질을 통해 양극(+)과 음극(-) 사이를 이동하면서 전기를 저장한다. 

[자료2. 리튬이온 배터리의 충방전]

출처: 포스코퓨처엠

 양극재는 리튬이온배터리에서 리튬이 들어가는 공간이다. 리튬은 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 강해서 양극 소재로 적합하다. 하지만, 원소 상태의 리튬은 불안정하기 때문에 리튬과 산소를 결합한 리튬 산화물 형태로 양극에 사용된다. 배터리가 충전 상태일 때 리튬 이온은 음극에 존재하는데, 이때 양극과 음극을 도선으로 이어주면(방전) 리튬 이온은 전해액을 통해 다시 양극으로 이동하게 되고, 리튬 이온과 분리된 전자(e-)는 도선을 따라 이동하면서 전기를 발생시킨다. 
 리튬이온배터리는 크기를 작게 또 두께를 가늘게 만들 수 있으며, 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 고전압까지 가능하다는 장점이 있다. 부피는 납축전지와 비교해 4분의 1, 무게는 5분의 1밖에 되지 않아 공간 효율도 끌어올릴 수 있다. 그리고 리튬이온배터리는 사용하지 않을 때에 일어날 수 있는 자가 방전의 정도도 작아 수명이 길다.  리튬이온배터리의 에너지 밀도는 니켈카드뮴 전지의 약 2배, 납축전지의 약 6배로 높아 시중의 전자기기에 많이 사용되고 있고, 자동화시스템이나 항공산업과 같은 분야에서도 사용 빈도가 증가하는 추세이다.
 그러나 리튬이온배터리는 다른 배터리에 비해 폭발이 잦아 안정성이 떨어지는 편이다. 과충전/과방전 시 구조의 비가역성의 증가로 용량 감소가 매우 크고, 과충전 시에는 매우 불안정해져서 내부 전극에서 쇼트가 나거나 축전지에 충격을 주면 열폭주로 인해 폭발할 수 있다. 즉 폭발 위험이라는 치명적인 단점이 존재한다.

[자료3. 편재성을 띄는 리튬 광산지역]

출처: BNEF(2022)

  리튬이온배터리의 또 다른 단점으로는 자원의 편재성을 꼽을 수 있다. 배터리를 구성하는 소재의 하나인 코발트는 전 세계 물량의 70%가량이 콩고민주공화국에서 생산되고 있다. 편재된 자원인 데다 수급이 원활하지 않다 보니 가격이 월등히 비싸 배터리 제조 원가의 20% 이상을 차지하고 있다. 그뿐만 아니라 채굴이나 생산 과정, 환경오염 등의 문제로 인해 글로벌 이슈로 부각된 광물이기도 하다. 

[자료4. 2010-2021 리튬 가격]

출처:  Canary Media

 자원의 편재성에 더하여, 리튬이온배터리는 비싸다는 단점이 있다. 자료 4를 보면, 2020년 탄산리튬이 1톤당 1만 달러 이하였다가 2021년 1만 5천 달러로 상승하고, 2022년엔 7만 달러를 넘어가고 있다. 1만 달러도 되지 않던 리튬이 2년 만에 7배나 오른 이유는 공급에 비해 큰 수요 때문이다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2030년까지 전기차용 리튬 수요는 최대 17배 늘어날 것으로 예상되며 가격 또한 2.5~5배가량이 오를 것으로 전망된다.
 

Na를 소개합니다

 앞서 언급했듯, 리튬이온배터리는 자원의 편재성이라는 단점이 있다. 앞으로 전기자동차 및 전자기기 등이 대폭 증가할 경우 그만큼 리튬이온배터리의 수요 역시 증가할 수밖에 없는데, 만약 리튬이 제대로 확보되지 못한다면 공급량이 수요에 미치지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라 많은 곳에서 리튬을 대체하기 위한 여러 방법을 모색하고 있으며, 그중 리튬과 화학적 성질이 비슷하고 주기율표에서 리튬과 같이 1족 원소에 속하는 나트륨과 칼륨 등의 물질이 거론되고 있다. 나트륨과 칼륨을 이용하여 배터리를 제작할 경우 이에 따른 장단점은 다음과 같다.

[자료5. 리튬이온배터리와 주요 대안들]

출처: 어드밴스드 에너지 머티리얼스 

 특히 나트륨이온배터리가 연구되고 있는 이유에 대해 김재범 박사과정생은 “리튬 이온을 나트륨 이온으로 대체했을 때 현재 상용화된 에너지밀도 및 출력에 상응하는 것은 어렵지만, 향후 급격히 증가될 것으로 예상되는 리튬 수요에 대한 대비 전략 중 하나로 고려될 필요가 있다고 생각해 많은 연구가 진행 중이다. 이와 더불어 나트륨이온배터리는 다른 배터리에 비해 이전 리튬이온배터리 소재 연구들이 나트륨 이온 소재에 적용할 수 있다 보니 연구에 대한 접근 및 적용하는데 많은 시행착오를 줄일 수 있다.”고 말했다. 그렇다면 나트륨 이온 배터리가 가진 특성이 무엇이 있는지 자세히 살펴보자.

[자료6. 나트륨 이온 배터리의 충방전 원리]

출처: 해시넷

 나트륨이온배터리는 리튬이온배터리와 구성 및 원리가 유사하다. 덕분에 기존의 리튬이온배터리에 대한 연구 데이터를 활용하여 나트륨이온배터리를 쉽게 개발할 수 있다. 그러나 리튬이온배터리는 충방전 시에 리튬 이온이 양극과 음극 간에 전하 전달을 하는 반면, 나트륨이온배터리는 나트륨 이온이 그 역할을 수행한다는 점에서 차이가 있다. 특히 나트륨이온배터리는 흑연 내 리튬 이온이 거의 저장되지 않아, 하드 카본이라는 비정질 탄소 소재를 사용한다.

[자료7. 나트륨 이온 배터리의 구성]

출처: Wood Mackenzie

 나트륨이온배터리는 리튬이온배터리보다 비교적 값싼 재료로 구성되어 있다. 나트륨은 지구상에 6번째로 많은 원소로, 소금 등의 화합물로 존재하기 때문에 해수에서 쉽게 구할 수 있다. 리튬보다 약 440배 매장량이 풍부하여 리튬보다 80배(2021년 기준) 정도 가격이 저렴하고, 따라서 배터리 제작 단가를 크게 낮출 수 있다. 현재 우리나라가 리튬에 대해 높은 수입의존도를 가지고 있는 만큼, 만약 나트륨이온배터리가 상용화된다면 기존 원자재 문제에 큰 도움이 될 것으로 보인다.
 그러나 나트륨이온배터리도 여러 단점이 존재한다. 먼저 낮은 에너지 밀도가 있다. 나트륨은 리튬보다 상대적으로 산화/환원 전위가 높아 나트륨이온배터리의 구동 전압이 리튬이온배터리보다 낮아진다. 이로 인해 같은 양극활물질을 활용하더라도 나트륨이온배터리가 리튬이온배터리보다 더 낮은 에너지 밀도를 보여주게 된다. 따라서 리튬이온배터리와 같은 성능을 내기 위해 더 많은 셀을 추가하는 것이 불가피하고, 무게가 늘어나면 연비가 나빠지는 문제가 있어 전기 자동차에 적용되기 어려울 것으로 보인다.
 다음으로 부피에 대한 문제가 있다. 나트륨 이온의 반지름 크기는 1.02Å으로, 리튬 이온의 반지름인 0.76Å보다 약 130% 정도 크다. 따라서 기존 리튬이온배터리의 전극 소재를 그대로 사용할 경우 결정구조의 변이가 발생할 수 있어 나트륨이온배터리에 특화된 전극 소재가 필요하다. 이에 KAIST 연구진은 황화구리를 이용할 경우 충방전 이후에도 나트륨 저장 성능이 떨어지지 않는 것을 발견했다. 별다른 최적화를 거치지 않은 수십~수백 μm의 황화구리 입자를 사용했을 때 흑연을 사용한 기존 배터리보다 용량이 17% 늘어나는 효과가 있었다. 이는 황화구리가 나트륨이온배터리의 새로운 전극 소재가 될 수 있다는 가능성을 보여준 점에서 의의가 있다.

[자료8. 한국동서발전 10kWh급 해수전지 준공 기념행사 사진]

출처: 한국동서발전

 앞서 나트륨은 리튬과 비교하여 무게와 부피에 대한 문제점이 있었다. 이에 대해 김재범 박사과정생은 “나트륨이온배터리는 에너지 저장 시스템(ESS)과 같은 간헐적 에너지를 저장하는 시스템에서 두각을 드러낼 것이다. 그 이유로는 전기차용 배터리보다 낮은 스펙을 요구될 것으로 보이며, 특히 공간적 제약이 없기 때문에 저렴한 배터리 소재 기반 대형화에 알맞을 것이다.”고 답하였다. 실제로 울산과학기술원(UNIST) 연구진은 리튬 대신 바닷물 속에 녹아있는 나트륨을 활용한 해수 전지 셀(Cell)을 개발하여 ESS를 구축했고, 한국동서발전은 이 시스템을 울산화력발전소에 적용해 건물 내부 조명등으로 활용하기도 하였다.

 
차세대 배터리의 주인공은?

 리튬이온배터리는 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 전기자동차, 전자기기 등 우리 주변에서 다양하게 활용되고 있다. 그러나 리튬이온배터리는 원자재의 매장량이 적을 뿐만 아니라 자원이 편재되어 있기 때문에 장기적으로 가격 부담이 커질 것으로 보인다. 따라서 현재 나트륨 이온 배터리를 비롯해 리튬-황 배터리와 전고체 배터리, 하이(high) 망간 배터리 등 여러 차세대 배터리가 연구되고 있다.
 그러나 리튬이온배터리를 대체하는 것은 쉬운 일이 아니다. 한 문제를 해결하더라도 또 하나의 문제가 발생하기 때문이다. 따라서 리튬이온배터리가 가진 문제점을 보완하면서 차세대 배터리의 장점을 최대한 활용하는 것이 중요하다. 이에 대해 김재범 박사과정생은 “CATL의 경우 듀얼 배터리 시스템으로 리튬이온배터리와 나트륨이온배터리 셀을 혼용하는 사례가 있다. 특히 나트륨 이온 시스템은 리튬 이온 시스템보다 저온에서 더 좋은 특성을 보여주었기 때문에 계절에 따른 온도 변화가 큰 경우 이러한 이점을 활용할 수 있을 것이다. 이외에도 대중화 및 안정성 관점에서, 현재 배터리는 소재에 대한 가격 및 성능에 대해 다변화된 소재들이 나와야 한다고 생각한다. 이에 다양한 소재 시스템에 대한 연구들이 병행되어야 하며, 각 환경에 맞는 시스템들을 최적 선별하여 에너지 저장 시스템에 대한 확대 적용이 필요한 시점이라고 생각한다.”고 말했다. 
현재 배터리에 대한 관심이 높아지는 만큼, 차세대 배터리에 대한 연구가 전 세계적으로 이루어지고 있다. 만약 리튬이온배터리를 대체할 수 있는 새로운 배터리가 등장한다면 앞으로의 배터리를 주도하는 주인공이 될 것이다.

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배터리에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "충전하지 말고 교환하세요, 배터리 스와핑", 23기 신지연, https://renewableenergyfollowers.org/4040

충전하지 말고 교환하세요, 배터리 스와핑

2. "리튬 이온 배터리의 자리를 넘볼 수 있을까?", 22기 이지원, https://renewableenergyfollowers.org/3987

리튬 이온 배터리의 자리를 넘볼 수 있을까?

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참고문헌

[이차전지란?]

1) 박민규, 이코노믹 리뷰, 2020.10.03, “[ER궁금증] 이차 전지의 핵심, 양극재는 무엇?”, https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=413890
2) 포스코퓨처엠, “이차전지소재”, https://www.poscochemical.com/business/energy.do
3) CheonanCtz, “[2차전지] 리튬이온 배터리 기본 구조와 4대 소재 기술 발전 총망라”, 2021.08.03,  https://lhseti123.tistory.com/m/26

[리튬이온배터리]
1) 동아사이언스, “리튬이온 대체할 차세대 배터리는?”, 2020.03.09, https://post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=27685814&memberNo=36236175&vType=VERTICAL
2) 삼성SDI, “리튬이온 배터리의 4대 요소”, 2018.01.18, https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/55269.html)
3) BATTERY INSIDE, “배터리의 근원을 찾아서-코발트편”, 2021.11.11, https://inside.lgensol.com/2021/11/%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EA%B7%BC%EC%9B%90%EC%9D%84-%EC%B0%BE%EC%95%84%EC%84%9C-%EC%BD%94%EB%B0%9C%ED%8A%B8-%ED%8E%B8/
4) Julian Spector, Maria Virginia Olano, “Chart: Lithium prices are through the roof this year”,2022.05.06, https://www.canarymedia.com/articles/batteries/chart-lithium-prices-are-through-the-roof-this-year

[Na를 소개합니다]
1) 고원석, 구본영, 박현영, 강정민, 김종순, “나트륨 이온전지 양극활물질 연구 개발 동향”, ceramist, 제 25권 1호, pp. 76~89, 2022
2) 권미숙, 이규태, “소듐 이온 이차 전지 연구 현황”, 한국화학공학회, p1-7(7pages), 2013
3) 동아사이언스, “리튬이온 대체할 차세대 배터리는?”, 2020.03.09, https://post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=27685814&memberNo=36236175&vType=VERTICAL 
4) 비피기술거래, “나트륨-이온 전지”, 전기자동차, 휴대폰 배터리의 핵심기술관련 2차 전지 산업분석보고서(2020), 비티타임즈, 86pages, 2020.01.20
5) 윤신영, “5년 사용해도 성능 93% 유지되는 ‘나트륨 배터리’ 소재 찾았다”, 동아사이언스, 2019.06.30, https://www.dongascience.com/news.php?idx=29643
6) 이건오, “한국, 이차전지 핵심광물 수입의존도 높아… “공급망 다변화 가져가야””, 인더스트리 뉴스, 2022.12.18, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=48197
7) 이예림, “기후변화와 전기자동차, 그리고 배터리”, 배터리 인사이드, 2022.04.05, https://inside.lgensol.com/2022/04/%ea%b8%b0%ed%9b%84%eb%b3%80%ed%99%94%ec%99%80-%ec%a0%84%ea%b8%b0%ec%9e%90%eb%8f%99%ec%b0%a8-%ea%b7%b8%eb%a6%ac%ea%b3%a0-%eb%b0%b0%ed%84%b0%eb%a6%ac/
8) 최용구, “나트륨 이온 배터리 성능 극대화 해법 찾아…리튬 대체 효과 기대”, 인더스트리 튜스, 2023.04.18, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=49549
9) 한국동서발전, “한국동서발전, 해수전지 에너지저장시스템 구축”, 2018.12.18, https://ewp.co.kr/kor/subpage/content.html?pc=NJEOZLEFN0YJBAQRDFOZIP48DHYIIEC&state=view&idx=20828
10) 허원도, “나트륨이온 이차전지의 기대와 전망”, 한국과학기술정보연구원, p1-5(5pages)
11) Max Reid, “Sodium-ion batteries: disrupt and conquer?”, Wood Mackenzie, 2023.02.21, https://www.woodmac.com/news/opinion/sodium-ion-batteries-disrupt/ 

[차세대 배터리의 주인공은?]
1) 이예림, “기후변화와 전기자동차, 그리고 배터리”, 배터리 인사이드, 2022.04.05, https://inside.lgensol.com/2022/04/%ea%b8%b0%ed%9b%84%eb%b3%80%ed%99%94%ec%99%80-%ec%a0%84%ea%b8%b0%ec%9e%90%eb%8f%99%ec%b0%a8-%ea%b7%b8%eb%a6%ac%ea%b3%a0-%eb%b0%b0%ed%84%b0%eb%a6%ac/