[MHN IT] 4차 산업혁명의 핵심, 에너지 전쟁을 좌우할 차세대 배터리 어떤것이 있나?

문화뉴스 원문
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2020.12.01 10:57

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[권성준 기자]

출처: 픽사베이

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[문화뉴스 MHN 권성준 기자] 최근 국내 대기업에서 배터리 사업과 관련된 소식이 많이 들리고 있다. LG에서는 기존 LG 화학에서 배터리 사업부를 독립시켜 LG 에너지 솔루션을 출범하였으며 SK 이노베이션은 차세대 배터리 개발을 위한 인력을 대거 채용하고 있다.

이렇게 기업에서 많은 투자를 진행하여 중요하게 여기는 사업인 만큼 크고 작은 분쟁도 벌어지고 있다. LG 화학과 SK 이노베이션은 영업 비밀 침해와 특허 문제로 법정 다툼을 벌이고 있다.

배터리에 대한 관심은 대한민국에서만 이루어지고 있지 않다. 풍부한 희토류 매장량 덕분에 세계에서 가장 배터리 사업에 유리한 중국도 배터리에 많은 관심을 기울이고 있다. 실제로 중국의 많은 배터리 업체들은 유럽과 동남아시아 지역에 대규모로 공장을 건설하기 시작하였다.

특히 조 바이든 미국 대통령 당선인이 전기차 상용화에 주력할 것이라는 발언이 있은 후로 전기차에 필수적인 배터리 사업은 기존 배터리 강국이 아니던 국가에서도 주목을 하게 되었다. 특히 유럽은 한국, 중국, 일본에 의존적이었던 배터리 시장에서 독립하려는 시도를 하는 등 앞으로의 세계는 배터리 전쟁이 벌어질 예정이다.

배터리 전쟁의 최종 승자는 결국 현재 산업에서 주로 사용되는 리튬이온배터리의 한계를 능가하는 차세대 배터리의 개발에 달려있다. 차세대 배터리는 어떤 것이 있을까?

▶ 전고체 배터리

출처: 한국생산기술 연구원

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현재 업계에서 가장 이목을 집중하고 있는 것은 전고체 배터리이다. 배터리는 음극, 양극, 전해질로 이루어져 있다. 음극과 양극에 전위차를 발생시켜 전기 에너지를 충전, 방전하는 구조이며 전해질은 중간에서 전기 에너지가 흐를 수 있도록 유동성 있는 하전 입자들로 이루어져 있다.

하전 입자가 양극과 음극 사이를 자유롭게 이동할 수 있어야 하기 때문에 전해질은 액체 상태로 만들어졌었다. 하지만 액체는 배터리에 작은 흠만 있어도 밖으로 새기 마련이었다. 전해질은 전하를 띠기 때문에 회로에 닿을 경우 회로를 파괴 시키며 열을 방출하고 심할 경우 기기가 터지기까지 한다.

출처: 삼성 디스플레이

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그래서 누액 문제를 완화하고자 현재는 젤리 형태의 폴리머 전해질을 사용한다. 다소 점성이 있기 때문에 누액이 쉽사리 일어나지는 않지만 여전히 간혹가다 누액 사고가 벌어진다. 가장 대표적인 사례가 삼성 갤럭시 노트 7의 배터리 폭발 사고를 들 수 있다.

전고체 배터리는 전해질이 젤리 상태를 넘어 완전한 고체 형태로 이루어진 배터리를 의미한다. 고체의 전기 전도성을 이용해 양극과 음극 사이의 전기 에너지를 수송시키는 원리를 사용하며 누액의 위험이 전혀 없어 엄청난 안전성을 가진 배터리로 각광받고 있다.

출처: 삼성 디스플레이

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심지어 배터리에 구멍을 뚫어도 문제없이 작동되는 안정성을 지니고 있기 때문에 차세대 플렉시블 기기에 필수적인 기술이다. 플렉시블 기기들의 결정적인 문제점은 디스플레이가 접힌다 하더라도 배터리가 접히지 않는 점인데 전고체 배터리는 이 문제점을 해결해 버릴 수 있다.

또한 액체보다 밀도가 높은 고체의 특성상 한 번에 수송할 수 있는 에너지, 다시 말해 에너지 밀도가 높아 리튬 이온 전지의 한계를 넘어서 작은 부피에 많은 저장량을 가진 배터리를 만들 수 있을 것으로 여겨진다.

다만 전고체 배터리는 1980년대부터 제안되었음에도 불구하고 고체의 저항이라는 명확한 한계로 인해 연구가 더뎠었다. 액체만큼의 전기 전도성을 가진 고체를 만들어 상용화 시키는 것이 현재 가장 큰 쟁점 사안이며 SK 이노베이션의 경우 2019년 노벨 화학상 수상자와 협력 연구하는 등 많은 기업에서 개발에 돌입하고 있다.

▶ 칼륨 / 나트륨 이온 배터리

출처: 픽사베이

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리튬이온배터리는 전해질로 리튬을 사용한다. 리튬은 최외각 전자가 1개인 1족 원소기 때문이다. 가장 바깥에 있는 전자 1개는 작은 에너지만 주어도 원자의 속박 상태를 벗어나 리튬 원자가 양이온으로 이온화되기 때문이다. 배터는 이 양이온이 음극, 양극 사이를 돌아다니면서 충전, 방전을 해주는 기계를 의미한다.

거기다 리튬은 1족 원소 중 가장 가볍기 때문에 같은 전압 대비 다른 원소들에 비해 빠르게 움직이므로 전해질로 많이 쓰였던 것이다. 하지만 리튬은 희귀하다는 큰 단점을 가지고 있다. 남미와 중국에 대부분이 매장되어 있는 희소 원소 중 하나로 분류된다.

특히 최근 들어 전기 자동차가 개발되면서 리튬의 가격은 계속해서 폭등해 '하얀 석유'라는 별명이 생기는 지경에 이르었다. 이를 해결하기 위해 연구되는 것이 같은 1족 원소인 칼륨, 나트륨을 이용한 배터리이다.

출처: 픽사베이

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나트륨은 리튬 바로 아래 있는 원소로 리튬보다 훨씬 흔한 금속이다. 리튬 다음으로 가볍기 때문에 1족 원소 중 가장 리튬을 대체하기 좋은 원소이며 화학적 성질이 리튬과 비슷해 기존 배터리들과 호환이 쉽다는 장점이 있다.

나트륨 배터리는 리튬보다 전기 용량이 작다는 단점이 있다. 단점을 해소하기 위해선 전극의 두께가 두꺼워야 하는데 문제는 이 경우 배터리의 수명이 줄어든다. 현재는 전극에 그래핀을 이용하는 등 여러 물질을 사용해 단점이 많이 해소되었으며 상용화가 이루어지기 직전의 상태에 있다.

칼륨은 나트륨 아래 있는 원소로 나트륨과 마찬가지로 아주 흔한 금속이며 이론적으로는 리튬과 비슷한 수준의 전압과 에너지 밀도를 가질 것으로 예상된다. 하지만 칼륨은 반응할 양극, 음극을 찾기 어렵고 위험성이 동반된다는 리튬의 단점을 그대로 갖고 있어 아직은 연구가 필요한 단계에 있다.